特開 2022-143250 炉内反応の計算装置及び炉内反応の計算方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022143250

(43)【公開日】2022-10-03

(54)【発明の名称】炉内反応の計算装置及び炉内反応の計算方法

(51)【国際特許分類】

   C22B 5/10 20060101AFI20220926BHJP

【ＦＩ】

C22B5/10

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021043673

(22)【出願日】2021-03-17

(71)【出願人】

【識別番号】000183303

【氏名又は名称】住友金属鉱山株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】後藤 優子

【テーマコード（参考）】

4K001

【Ｆターム（参考）】

4K001AA10

4K001AA19

4K001BA02

4K001DA05

4K001FA14

4K001GA07

4K001HA01

4K001HA11

(57)【要約】

【課題】反応炉内に存在する溶体を考慮して、反応炉内の反応を高精度に計算できる炉内反応の計算装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る炉内反応の計算装置は、反応炉の一端側から供給した原料鉱石を移動させながら他端側から供給された燃焼ガスと接触させて、乾燥及び還元を行う装置であり、燃焼ガスを含む第１気相のうちの原料鉱石を含む第１ベッド層との平衡反応に寄与する第１反応分と、第１ベッド層のうちの第１気相との平衡状態に寄与する第２反応分とが平衡状態に達した時の熱量の変化及び流量を少なくとも計算する平衡反応計算部を備え、平衡反応計算部は、第１ベッド層に含まれる溶体を構成する端成分のギブズエネルギーと端成分の存在比率とに基づいて端成分が独立に存在する場合のギブズエネルギーを算出し、溶体モデルに基づいて端成分が独立に存在する場合のギブズエネルギーを補正することにより溶体のギブズエネルギーを算出する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

反応炉の一端側から供給した原料鉱石を他端側に向かって移動させながら、前記原料鉱石を前記他端側から供給された燃焼ガスと接触させて、乾燥させると共に還元を行う炉内反応の計算装置であって、
前記燃焼ガスを含む第１気相のうちの前記原料鉱石を含む第１ベッド層との平衡反応に寄与する第１反応分と、前記第１ベッド層のうちの前記第１気相との平衡状態に寄与する第２反応分とが、平衡状態に達した時のそれぞれの熱量の変化及び流量を少なくとも計算する平衡反応計算部を備え、
前記平衡反応計算部は、前記第１ベッド層に含まれる溶体を構成する端成分のギブズエネルギーと前記端成分の存在比率とに基づいて前記端成分が独立に存在する場合のギブズエネルギーを算出し、溶体モデルに基づいて前記端成分が独立に存在する場合のギブズエネルギーを補正することにより前記溶体のギブズエネルギーを算出する炉内反応の計算装置。

【請求項2】

前記平衡反応計算部は、前記第１ベッド層に含まれる純物質のギブズエネルギーを算出する請求項１に記載の炉内反応の計算装置。

【請求項3】

前記溶体が、オリビンを含む請求項１又は２記載の炉内反応の計算装置。

【請求項4】

前記第１気相の、前記第１ベッド層との平衡状態に寄与する第１反応量を計算して、前記第１気相の平衡反応に寄与する反応分を前記第１反応分として求める第１反応量の計算部と、
前記第１ベッド層の、前記第１気相との平衡状態に寄与する第２反応量を計算して、前記第１ベッド層の平衡反応に寄与する反応分を前記第２反応分として求める第２反応量の計算部と、
を備える請求項１～３の何れか一項に記載の炉内反応の計算装置。

【請求項5】

前記第１反応量の計算工程で生じる前記第１反応分以外の未反応分を第１未反応分とし、
前記第２反応量の計算工程で生じる前記第２反応分以外の未反応分を第２未反応分とし、
前記第１未反応分と、前記平衡反応計算部で前記第１反応分と前記第２反応分とが反応することで生じる第１生成分とを混合した気相の流量を少なくとも計算する第１の混合計算部と、
前記第２未反応分と、前記平衡反応計算部で前記第１反応分と前記第２反応分とが反応することで生じる第２生成分とを混合したベッド層の流量を少なくとも計算する第２の混合計算部と、
を備える請求項４に記載の炉内反応の計算装置。

【請求項6】

前記原料鉱石の移動の途中に投入された、添加気相及び添加ベッド層の少なくとも一方を含む燃焼用材料を前記添加気相と前記添加ベッド層とに質量流量で分配する分配部を備え、
前記第１反応分は、前記第１気相と前記添加気相とを含む第２気相のうちの前記第１ベッド層と前記添加ベッド層とを含む第２ベッド層との平衡反応に寄与する反応分であり、
前記第２反応分は、前記第２ベッド層のうちの前記第２気相との平衡反応に寄与する反応分である請求項１～５の何れか一項に記載の炉内反応の計算装置。

【請求項7】

前記反応炉内をその長軸方向に沿って複数の領域に分割すると仮定した時、
前記複数の領域に、前記原料鉱石の流れ又は前記燃焼ガスの流れに沿って繰り返し行い、所定の領域における計算値とその領域における前回の計算値との差が所定の範囲内に収まるまで繰り返し行う請求項１～６の何れか一項に記載の炉内反応の計算装置。

【請求項8】

反応炉の一端側から供給した原料鉱石を他端側に向かって移動させながら、前記原料鉱石を前記他端側から供給された燃焼ガスと接触させて、乾燥させると共に還元を行う炉内反応の計算方法であって、
前記燃焼ガスを含む第１気相のうちの前記原料鉱石を含む第１ベッド層との平衡反応に寄与する第１反応分と、前記第１ベッド層のうちの前記第１気相との平衡状態に寄与する第２反応分とが、平衡状態に達した時のそれぞれの熱量の変化及び流量を少なくとも計算する平衡反応計算工程を含み、
前記平衡反応計算工程は、前記第１ベッド層に含まれる溶体を構成する端成分のギブズエネルギーを計算し、前記端成分のギブズエネルギーと前記端成分の存在比率とに基づいて前記端成分が純物質として独立に存在する場合のギブズエネルギーを算出し、溶体モデルに基づいて前記端成分が独立に存在する場合のギブズエネルギーを補正することにより前記溶体のギブズエネルギーを算出する炉内反応の計算方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炉内反応の計算装置及び炉内反応の計算方法に関する。

【背景技術】

【0002】

酸化鉱石の一種であるリモナイト鉱石やサプロライト鉱石等のラテライト鉱石（ニッケル酸化鉱石）の製錬方法として、ロータリーキルンや移動炉床炉等を使用して、鉄とニッケルを主成分とする合金であるフェロニッケルを製造する乾式製錬方法が知られている。

【0003】

ロータリーキルンによる乾式製錬方法では、原料鉱石をロータリードライヤーにて乾燥させ、付着水の含有量を例えば１５％～２５％とした後、付着水が低減された乾燥鉱石をロータリーキルンの装入端から投入する。その後、ロータリーキルンの装入端から供給する石炭の燃焼熱や、ロータリーキルンの排出端に設けられた微粉炭専焼バーナー又は微粉炭と重油の混焼バーナーにより、乾燥鉱石を加熱して、乾燥鉱石を乾燥させると共に焼成を行う。

【0004】

このようなロータリーキルンによる乾式製錬方法として、例えば、装入端より供給する石炭の燃焼熱やバーナーで微粉炭や重油等が燃焼して生じる燃焼熱の他に、ロータリーキルンの途中から投入した石炭の燃焼によって生じる燃焼熱を乾燥鉱石の乾燥及び部分還元に必要な熱を与える方法がある（例えば、特許文献１参照）。

【0005】

特許文献１には、ロータリーキルンの途中に設けたスクープフィーダから石炭をロータリーキルン内に投入して、ロータリーキルンの装入端から装入したニッケル酸化鉱の乾燥鉱石を、バーナーで化石燃料の燃焼により生じる燃焼熱で焼成すると共に部分的な還元処理を施すロータリーキルンの操業方法が開示されている。このロータリーキルンの操業方法では、スクープフィーダから投入された石炭は熱分解することで揮発分と固定炭素になり、揮発分は炉内の燃焼ガスと共に装入端より排出され、固定炭素は、乾燥鉱石が乾燥・還元処理されて産出された焼鉱と共に排出端から排出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第５９６７６１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ここで、ロータリーキルン内に供給される原料鉱石中の針鉄鉱やケイ酸塩は、ロータリーキルン内での反応においてオリビンやマグネタイト等の固溶体に形態変化する。そのため、特許文献１に記載のロータリーキルンの操業方法等の周知の技術を用いてロータリーキルン等の反応炉内の乾燥鉱石等の挙動をシミュレーションする際、反応炉内に供給した原料鉱石の製錬をより精度高く行うためには、原料鉱石内に存在する溶体も考慮して、炉内反応を高精度に解析する必要があった。

【0008】

本発明の一態様は、反応炉内に存在する溶体を考慮して、反応炉内の反応を高精度に計算できる炉内反応の計算装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係る炉内反応の計算装置の一態様は、反応炉の一端側から供給した原料鉱石を他端側に向かって移動させながら、前記原料鉱石を前記他端側から供給された燃焼ガスと接触させて、乾燥させると共に還元を行う炉内反応の計算装置であって、
前記燃焼ガスを含む第１気相のうちの前記原料鉱石を含む第１ベッド層との平衡反応に寄与する第１反応分と、前記第１ベッド層のうちの前記第１気相との平衡状態に寄与する第２反応分とが、平衡状態に達した時のそれぞれの熱量の変化及び流量を少なくとも計算する平衡反応計算部を備え、
前記平衡反応計算部は、前記第１ベッド層に含まれる溶体を構成する端成分のギブズエネルギーを計算し、前記端成分のギブズエネルギーと前記端成分の存在比率とに基づいて前記端成分が純物質として独立に存在する場合のギブズエネルギーを算出し、溶体モデルに基づいて前記端成分が独立に存在する場合のギブズエネルギーを補正することにより前記溶体のギブズエネルギーを算出する。

【0010】

本発明に係る炉内反応の計算方法の一態様は、反応炉の一端側から供給した原料鉱石を他端側に向かって移動させながら、前記原料鉱石を前記他端側から供給された燃焼ガスと接触させて、乾燥させると共に還元を行う炉内反応の計算方法であって、
前記燃焼ガスを含む第１気相のうちの前記原料鉱石を含む第１ベッド層との平衡反応に寄与する第１反応分と、前記第１ベッド層のうちの前記第１気相との平衡状態に寄与する第２反応分とが、平衡状態に達した時のそれぞれの熱量の変化及び流量を少なくとも計算する平衡反応計算工程を含み、
前記平衡反応計算工程は、前記第１ベッド層に含まれる溶体を構成する端成分のギブズエネルギーを計算し、前記端成分のギブズエネルギーと前記端成分の存在比率とに基づいて前記端成分が純物質として独立に存在する場合のギブズエネルギーを算出し、溶体モデルに基づいて前記端成分が独立に存在する場合のギブズエネルギーを補正することにより前記溶体のギブズエネルギーを算出する。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係る炉内反応の計算装置の一態様は、反応炉内に存在する溶体を考慮して、反応炉内の反応を高精度に計算できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態に係る炉内反応の計算装置が適用されるロータリーキルンの概略構成を示す。

【図2】本発明の実施形態に係る炉内反応の計算装置の機能を示すブロック図である。

【図3】本発明の実施形態に係る炉内反応の計算方法を説明するフローチャートである。

【図4】炉内反応の計算装置のハードウェア構成図である。

【図5】ロータリーキルン内の燃焼ガスと原料鉱石との流れを示す図である。

【図6】本発明の実施形態に係る炉内反応の計算方法をロータリーキルンの全体に適用する場合のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の符号を付して、重複する説明は省略する。また、図面における各部材の縮尺は実際とは異なる場合がある。

【0014】

本発明の実施形態に係る炉内反応の計算装置について説明するに当たり、本実施形態に係る炉内反応の計算装置が適用されるロータリーキルンの構成について説明する。

【0015】

＜ロータリーキルン＞
図１は、本実施形態に係る炉内反応の計算装置が適用されるロータリーキルンの概略構成を示す。図１に示すように、ロータリーキルン１は、回転自在で略円筒形状のキルン本体１１と、キルン本体１１の途中に設けられる燃焼用材料供給管１２とを有する。

【0016】

キルン本体１１は、円筒形状の中空構造物からなる窯であり、キルン本体１１は、厚さ１５～３０ｍｍの炭素鋼からなる。キルン本体１１は、その内周側の壁面に、耐熱性を高めるための耐火物を備えることが好ましい。

【0017】

キルン本体１１の大きさとしては、例えば、内径が４．５ｍ～５．５ｍ、長軸方向の長さ（全長）が１００ｍ～１１０ｍの大きさのものを用いることが好ましい。

【0018】

キルン本体１１は、その一端側（図１中の左側）の開口端部１１ａが、ロータリーキルン装入端（以下、単に「装入端」ともいう。）１４Ａに挿入して閉じられると共に、他端側（図１中の右側）の開口端部１１ｂが、ロータリーキルン排出端（以下、「排出端」ともいう。）１４Ｂに挿入して閉じられている。キルン本体１１は、装入端１４Ａから排出端１４Ｂに向かってわずかに傾斜した状態で配設されており、軸回りに回転自在に支持されている。

【0019】

装入端１４Ａには、原料鉱石をキルン本体１１内に導入する原料供給管１５が貫設されている。排出端１４Ｂには、開口端部１１ｂを貫通してキルン本体１１内に導入されるバーナー１６が設けられる。

【0020】

原料鉱石は、ニッケル酸化鉱石（酸化ニッケル鉱石）等を用いることができる。原料鉱石は、例えば、ニッケル酸化鉱石等をドライヤー（ロータリードライヤー）により予備乾燥して、付着水の一部を除去した乾燥鉱石等を用いることができる。乾燥鉱石中の水分量としては、１５質量％～２５質量％程度である。

【0021】

原料鉱石であるニッケル酸化鉱石としては、特に限定されないが、鉄とニッケルを主成分とする合金であるフェロニッケルの製錬においては、ガーニエライト鉱等が好ましく用いられる。ガーニエライト鉱の代表的な組成としては、乾燥鉱石での換算で、Ｎｉ品位が２．１質量％～２．５質量％、Ｆｅ品位が１１質量％～２３質量％、ＭｇＯ品位が２０質量％～２８質量％、ＳｉＯ₂品位が２９質量％～３９質量％、ＣａＯ品位が０．５質量％未満であり、灼熱減量が１０質量％～１５質量％である。また、原料鉱石には、Ｆｅ品位、Ｎｉ品位、ＭｇＯ品位相当の、針鉄鉱ＦｅＯＯＨや、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｇ等を含むケイ酸塩等が含まれている。

【0022】

バーナー１６は、微粉炭専焼バーナー又は微粉炭と重油の混焼バーナー等を用いることができる。バーナー１６は、微粉炭又は微粉炭及び重油等を含む燃料を燃焼して、ロータリーキルン１内に燃焼熱を発生させる。

【0023】

燃焼用材料供給管１２は、キルン本体１１の外周面の途中に設けられ、キルン本体１１内に燃焼用材料を供給できる。燃焼用材料は、揮発分等の気相及び固定炭素等の主にベッド層に入る固体物質の少なくとも一方を含み、例えば、石炭等の炭材を用いることができる。

【0024】

揮発分は、炭化水素化合物、硫黄及びハロゲン等の揮発物質等である。

【0025】

固定炭素は、石炭から水分・揮発分が抜けた後の、熱分解後残渣であるチャー粒子（主に固定炭素及び灰分）のうち、灰分を除いた主に炭素から構成される燃焼分である。

【0026】

なお、図１では、燃焼用材料供給管１２は、キルン本体１１の外周面に１つだけ設けられているが、キルン本体１１の外周面に、キルン本体１１の軸方向又は軸回りに沿って複数設けてもよい。

【0027】

燃焼用材料は、単一品種の炭材ではなく、複数の異なる品種の炭材等を混合して用いることが多く、さらに投入する炭材の粒子径の大きさも分布を持つことが多い。なお、粒子径とは、有効径による体積平均粒径をいい、粒子径は、例えば、レーザ回折・散乱法、動的光散乱法又は分級法等によって測定される。レーザ回折・散乱法を用いる場合、レーザ回折・散乱法により測定した体積基準の粒度分布において小粒径側からの積算粒径分布が５０％となる粒子径（Ｄ₅₀）を平均粒子径として用いることができる。

【0028】

原料鉱石は、装入端１４Ａに設けた原料供給管１５からキルン本体１１内に装入され、燃焼用材料は燃焼用材料供給管１２からキルン本体１１内に投入される。排出端１４Ｂ側からは、排出端１４Ｂに設置したバーナー１６により微粉炭や重油等を燃焼させることにより発生した高温の燃焼ガスが、排出端１４Ｂ側から装入端１４Ａ側に向けて、即ち原料鉱石の流れと反対の方向に吹き込まれる。

【0029】

キルン本体１１内では、原料鉱石は、装入端１４Ａから装入され、キルン本体１１が所定の速度で回転することで、装入端１４Ａから原料供給管１５を通してキルン本体１１内に装入された原料鉱石を一端側である開口端部１１ａ側から他端側である排出端１４Ｂに向かって搬送する。このとき、原料鉱石は、キルン本体１１内を移動しながら、排出端１４Ｂから装入端１４Ａ側に向かって流れる燃焼ガスと向流接触し、バーナー１６で微粉炭や重油等の燃料を燃焼させることにより発生させた高温の燃焼ガスの燃焼熱及び火炎によって加熱される。また、燃焼用材料供給管１２からキルン本体１１内に投入される燃焼用材料が、キルン本体１１内の燃焼ガスにより燃焼する。原料鉱石は、燃焼用材料供給管１２から投入された燃焼用材料の燃焼により生じさせた燃焼熱によっても加熱される。そのため、原料鉱石は、キルン本体１１の回転に連れてキルン本体１１の装入端１４Ａから排出端１４Ｂに向けて移動しながら、バーナー１６で燃料が燃焼することで生じた燃焼ガスの燃焼熱及び火炎と、燃焼用材料が燃焼することで生じた燃焼熱とにより加熱され、徐々に温度を上げて行く。

【0030】

キルン本体１１内では、原料鉱石と燃焼ガスとの間で、原料鉱石や燃焼用材料に含まれる水分の蒸発、燃焼用材料に含まれる揮発分の揮発、凝集と、バーナー燃料及び燃焼用材料に含まれる灰分の飛散、落下等により、物質の移動が生じる。ロータリーキルン１の途中から供給される燃焼用材料が熱分解することで生じる水分や揮発分は装入端１４Ａ側に燃焼ガスと共に移動し、チャー粒子は排出端１４Ｂに原料鉱石と共に移動する。

【0031】

キルン本体１１内の原料鉱石が排出端１４Ｂに到達するまでに、原料鉱石は、その原料鉱石中に含まれる水分がほぼ完全に除去されて焼成すると共に部分還元されて、焼鉱となる。焼鉱は、排出端１４Ｂから排出される。

【0032】

焼鉱は、例えば、温度８００～９００℃、粒子径が１０ｍｍ～１００ｍｍ程度の大きさからなる。

【0033】

排出端１４Ｂの排出口には、粒子径１０ｍｍ～１００ｍｍ程度の焼鉱と、ロータリーキルン１内に発生した焼結塊（粒子径１００ｍｍ～５００ｍｍ程度）とを分離するためのロストル（篩分装置）１７が設けられている。ロストル１７は、例えば、目開き１００ｍｍ程度の鉄製の格子で構成されている。排出端１４Ｂから排出された焼鉱は、ロストル１７を通過した後、焼鉱排出用シュート１８を通って、次工程に搬送される。

【0034】

＜炉内反応の計算装置＞
次に、本実施形態に係る炉内反応の計算装置について説明する。図２は、本実施形態に係る炉内反応の計算装置の機能を示すブロック図である。なお、図２では、炉内反応の計算装置が、ロータリーキルン１内を複数の領域に分割した時の、燃焼用材料供給管１２から燃焼用材料が供給される領域Ａにおける単位操作モデルとして説明する。また、図２では、領域Ａから見て燃焼ガスが吹き込まれる側の隣接領域を領域Ａ＋１とし、原料鉱石が装入される側の隣接領域を領域Ａ－１とする。

【0035】

なお、以下の説明において、ガス領域は、ロータリーキルン１内のガス及びダストを含む気相が流れる領域を意味し、ベッド層は、原料鉱石が移動する領域を意味する。

【0036】

領域Ａ内の気相（ガス相）は、第１気相Ｇ１、第２気相Ｇ２又は第３気相Ｇ３として記載し、領域Ａ内のベッド層は、第１ベッド層Ｓ１、第２ベッド層Ｓ２又は第３ベッド層Ｓ３として記載する。以下の説明において、領域Ａ内の各気相及び各ベッド層は、それぞれ、以下の通り定義する。
「第１気相Ｇ１」とは、一方の隣接領域（領域（Ａ＋１））から領域Ａに流入する燃焼ガスである。燃焼ガスは、揮発分、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、水素等の平衡反応に寄与するガスを含み、反応に寄与しない不活性な物質（例えば、窒素等）等を含んでもよい。
「第２気相Ｇ２」とは、燃焼用材料から分配された添加気相と第１気相とが合算された気相である。
「第３気相Ｇ３」とは、後述する第１の混合計算部２０４－１で生じる気相である。
「第１ベッド層Ｓ１」とは、他方の隣接領域（領域（Ａ－１））から領域Ａに流入する原料鉱石である。原料鉱石は、針鉄鉱ＦｅＯＯＨや、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｇ等を含むケイ酸塩の鉱石中化合物、固定炭素を含み、後述する平衡反応計算部２０３において反応に寄与しない不活性な物質等を含んでもよい。
「第２ベッド層Ｓ２」とは、燃焼用材料から分配された添加ベッド層と第１ベッド層とが合算されたベッド層である。
「第３ベッド層Ｓ３」とは、後述する第２の混合計算部２０４－２で生じるベッド層である。

【0037】

また、領域Ａ内で算出される、反応分、未反応分及び生成分は、第１反応分Ｒ１、第１未反応分ｒ１、第１生成分Ｐ１、第２反応分Ｒ２、第２未反応分ｒ２又は第２生成分Ｐ２と記載する。これらは、図２に示す炉内反応の計算装置を構成する各部の何れかで算出される。

【0038】

図２に示すように、炉内反応の計算装置２０は、燃焼用材料の分配部（分配部）２０１、第１反応量の計算部２０２－１、第２反応量の計算部２０２－２、平衡反応計算部２０３、第１の混合計算部２０４－１、及び第２の混合計算部２０４－２を含む。

【0039】

炉内反応の計算装置２０は、ロータリーキルン１（図１参照）内において、原料鉱石に含まれる、又は含まれる物質に起因して生成される溶体も考慮して、ロータリーキルン１（図１参照）内におけるベッド層と気相との平衡反応計算を行うことで、炉内反応を高精度に解析し、ロータリーキルン１（図１参照）内の反応の計算精度を高めたものである。

【0040】

原料鉱石は、針鉄鉱ＦｅＯＯＨや、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｎｉ等を含むケイ酸塩等を含み、ロータリーキルン１（図１参照）内での反応によって、マグネタイトや、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｎｉ等を含むオリビン等が生成され、炉内にて固溶体として存在する。例えば、原料鉱石に含まれる、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｎｉは、炉内で、オリビン（（Ｍｇ、Ｆｅ、Ｎｉ）₂ＳｉＯ₄）として存在する。ベッド層と気相との平衡反応計算をギブズエネルギー最小化法に基づいて行い、ベッド層と気相との反応を解析する際、原料鉱石に含まれる固溶体に起因して生じる部分的還元挙動も考慮して炉内反応を計算するためには、固溶体のギブズエネルギーを正確に求める必要がある。

【0041】

なお、固溶体とは、溶体のうち、固相の溶体であり、結晶の構造はそのままに構成原子の一部が別の原子に置き換わったものをいう。溶体とは、純物質が原子又は分子の尺度で混合して均一になった物質をいう。例えば、固溶体がオリビンである場合、オリビン内では、Ｍｇ、Ｆｅ及びＮｉが、それぞれ、骨格であるＳｉＯ₄四面体の間でＳｉＯ₄に対するモル比の合計が２となる範囲内で任意に存在している。溶体としては、例えば、オリビン、固体酸化物、溶融スラグ、合金、溶融合金等が挙げられる。

【0042】

また、溶体を形成する各純物質を、端成分という。例えば、溶体がオリビンである場合、オリビンの端成分は、Ｍｇ₂ＳｉＯ₄、Ｆｅ₂ＳｉＯ₄、Ｎｉ₂ＳｉＯ₄である。

【0043】

溶体を形成する場合、端成分に相当する純物質が混合せず単に共存している場合（即ち、溶体を形成しない場合）に比べて、ギブズエネルギーが変化する。即ち、各物質のモル分率とギブズエネルギーから加重平均によりギブズエネルギーを算出しても、溶体のギブズエネルギーを正しく計算できない。本実施形態に係る炉内反応の計算装置２０は、溶体を構成するそれぞれの端成分のギブズエネルギーから溶体モデルに基づいて溶体のギブズエネルギーを精度良く計算できる。よって、炉内反応の計算装置２０は、炉内反応を高精度に解析できるので、ロータリーキルン１（図１参照）内の反応を高精度に計算できる。

【0044】

分配部２０１は、燃焼用材料の種類や成分等を予め設置しておくことにより、燃焼用材料を、燃焼用材料に含まれる気相とベッド層とに質量流量で分配する機能を有する。

【0045】

分配された気相及びベッド層は、添加気相ＡＧ１１及び添加ベッド層ＡＳ１１として領域Ａ内に供給される。

【0046】

第１反応量の計算部２０２－１は、一方の隣接領域（（領域（Ａ＋１））から流入する燃焼ガスである第１気相Ｇ１と、分配部２０１で分配された燃焼用材料の添加気相ＡＧ１１とを含む第２気相Ｇ２のうちの、他方の隣接領域（（領域（Ａ－１））から流入する原料鉱石である第１ベッド層Ｓ１と、分配部２０１で分配された添加ベッド層ＡＳ１１とを含む第２ベッド層Ｓ２との平衡状態に寄与する第１反応量を計算して、第２気相Ｇ２の平衡反応に寄与する反応分を第１反応分Ｒ１として求める。

【0047】

第１反応量の計算部２０２－１は、第２気相Ｇ２と第２ベッド層Ｓ２との平衡状態に達する量が、例えばアレニウス型の反応速度式に従う反応速度と、領域Ａ内の第２気相Ｇ２の滞留時間から算出できるモデルを採用する。そして、第１反応量の計算部２０２－１は、第１反応量に相当する第１反応分Ｒ１と、残りの未反応の質量流量に相当する第１未反応分ｒ１とに分割する。

【0048】

なお、反応分とは、領域Ａ内の第２気相Ｇ２又は第２ベッド層Ｓ２が通過する滞留時間において、第２気相Ｇ２又は第２ベッド層Ｓ２との接触により、反応に寄与する流量をいう。

【0049】

ロータリーキルン１では、燃焼ガスと原料鉱石の流れが対向流となっている。燃焼ガスの流速は原料鉱石の流れよりも大きく、燃焼ガスと原料鉱石とは平衡状態に達していない。そこで、本実施形態では、第１反応量の計算部２０２－１は、ロータリーキルン１内のある領域（領域Ａ）の第２気相Ｇ２の一部のみが原料鉱石と平衡状態に達するとみなして、それに対応する第１反応量に応じて、第２気相Ｇ２を分割する。

【0050】

第２反応量の計算部２０２－２は、第２ベッド層Ｓ２のうちの、第２気相Ｇ２との平衡状態に寄与する第２反応量を計算して、第２ベッド層Ｓ２の平衡反応に寄与する反応分を第２反応分Ｒ２として求める。

【0051】

第２反応量の計算部２０２－２は、アレニウス型の反応速度式で鉱石の滞留時間により第２ベッド層Ｓ２と第２気相Ｇ２とが平衡状態に達していると見積もった分量だけについて、第２気相Ｇ２との反応に寄与する第２ベッド層Ｓ２の第２反応量を計算する。そして、第２反応量の計算部２０２－２は、第２反応量に相当する第２反応分Ｒ２と、残りの未反応の質量流量に相当する第２未反応分ｒ２とに分割する。

【0052】

平衡反応計算部２０３は、第１反応分Ｒ１と第２反応分Ｒ２との反応により生成される可能性のある物質（生成物質）の種類、相、流量等を予め設定しておくことにより、生成物質の自由エネルギーが最小となるように、平衡反応計算を行って、生成物質の種類、相、流量等を決定する機能を有する。平衡反応計算部２０３は、第１反応分Ｒ１と第２反応分Ｒ２とが平衡状態に達したときの、それぞれの熱量の変化、流量、生成物質の種類、組成及び相等を計算して出力する。

【0053】

平衡反応計算部２０３は、第２ベッド層Ｓ２に含まれる溶体を構成する端成分のギブズエネルギーと端成分の存在比率から、端成分が純物質として独立に存在する場合のギブズエネルギーを算出し、溶体モデルに基づいて端成分が純物質として独立に存在する場合のギブズエネルギーを補正することにより、溶体のギブズエネルギーを算出する。

【0054】

即ち、平衡反応計算部２０３は、まず純物質及び溶体中の端成分が、全て、純物質として独立して存在する場合のギブズエネルギーを算出する。そして、平衡反応計算部２０３は、溶体の場合は、さらに、端成分が純物質として独立して存在する場合の（混合前の）ギブズエネルギーと、溶体として交じり合って存在する場合のギブズエネルギーとの差を溶体モデルにより算出することにより、溶体のギブズエネルギーを算出する。

【0055】

溶体モデルとしては、例えば、理想溶体モデル、正則溶体モデル、副格子モデル、会合溶体モデル、修正擬化学モデル等が挙げられる。平衡反応計算部２０３は、溶体モデルを用いることで、溶体のギブズエネルギーを計算できる。

【0056】

平衡反応計算部２０３は、第２ベッド層Ｓ２内に存在し得る物質を計算物質とし、それぞれの計算物質のギブズエネルギーを温度の関数として定義する。第２ベッド層Ｓ２内に存在し得る物質として、ニッケル酸化鉱等の原料鉱石に含まれる物質が挙げられる。

【0057】

ニッケル酸化鉱等の原料鉱石に含まれる物質としては、例えば、（Ｍｇ、Ｆｅ，Ｎｉ）₃Ｓｉ₂Ｏ₅（ＯＨ）₄、ＦｅＯＯＨ等が挙げられる。

【0058】

平衡反応計算部２０３は、溶体のギブズエネルギーを算出する際、純物質から構成される溶体と、溶体のギブズエネルギーを求めるために使用する溶体モデルと、溶体を構成する端成分とを決定する。例えば、溶体がオリビン（（Ｍｇ、Ｆｅ、Ｎｉ）₂ＳｉＯ₄）である場合、溶体モデルとしては、例えば、Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｆｏｒｍａｌｉｓｍ（ＣＥＦ）を使用し、端成分として、Ｍｇ₂ＳｉＯ₄、Ｆｅ₂ＳｉＯ₄、Ｎｉ₂ＳｉＯ₄を定義する。これにより、端成分の存在比率に基づいて溶体のギブズエネルギーが算出される。

【0059】

そして、平衡反応計算部２０３は、純物質及び溶体について、領域Ａ内でギブズエネルギーが最小となるときの第２ベッド層Ｓ２の物量、即ち、領域Ａでの反応後の第２ベッド層Ｓ２の物量を算出する。

【0060】

平衡反応計算部２０３は、第１反応分Ｒ１と第２反応分Ｒ２とが反応することで生じる生成ガスと第１反応分Ｒ１の未使用分とを、第１生成分Ｐ１として計算する。また、平衡反応計算部２０３は、第１反応分Ｒ１と第２反応分Ｒ２とが反応することで生じる生成物質と、第２反応分Ｒ２の未使用分とを、第２生成分Ｐ２として計算する。

【0061】

第１の混合計算部２０４－１は、複数の流れを混合する機能を有しており、第１反応量の計算部２０２－１で分割された第１未反応分ｒ１と、平衡反応計算部２０３で生じた第１生成分Ｐ１とをそれぞれ混合した第３気相Ｇ３の流量や組成データ等を計算する。

【0062】

第２の混合計算部２０４－２は、複数の流れを混合する機能を有しており、第２反応量の計算部２０２－２で分割された第２未反応分ｒ２と、平衡反応計算部２０３で生じた第２生成分Ｐ２とを、それぞれ混合した第３ベッド層Ｓ３の流量や組成データ等を計算する。

【0063】

なお、本実施形態では、炉内反応の計算装置２０は、燃焼用材料をロータリーキルン１内に投下しない場合には、分配部２０１を備えなくてもよい。この場合、第１反応分Ｒ１は、第１気相Ｇ１のうちの第１ベッド層Ｓ１との平衡反応に寄与する反応分とし、第２反応分Ｒ２は、第１ベッド層Ｓ１のうちの第１気相Ｇ１との平衡状態に寄与する反応分とする。

【0064】

本実施形態では、炉内反応の計算装置２０は、炉内の熱伝導を、必要に応じて、放射、伝導及び対流等のモデルで計算するようにしてもよい。

【0065】

＜炉内反応の計算方法＞
次に、本実施形態に係る炉内反応の計算装置を用いて、本実施形態に係る炉内反応の計算方法について説明する。本実施形態に係る炉内反応の計算方法は、図１に示すような構成を有するロータリーキルン１において、ロータリーキルン１の装入端１４Ａ側から供給した原料鉱石を排出端１４Ｂ側に向かって移動させながら、移動の途中から燃焼用材料を投入し、原料鉱石を排出端１４Ｂ側に設けられるバーナー１６から供給された燃焼ガスと接触させて、乾燥させると共に還元を行う。

【0066】

図３は、本実施形態に係る炉内反応の計算方法を説明するフローチャートである。図３に示すように、炉内反応の計算装置２０は、ロータリーキルン１内に燃焼用材料を投下しているか否かを確認する（確認工程：ステップＳ１１）。

【0067】

ロータリーキルン１内に燃焼用材料が投下されている場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、炉内反応の計算装置２０は、気相を想定した炭化水素化合物等の物質と、ベッド層を想定した物質を入力物質として与える。炉内反応の計算装置２０は、分配部２０１を用いて、ロータリーキルン１内に添加される燃焼用材料を気相である添加気相ＡＧ１１とベッド層である添加ベッド層ＡＳ１１とに質量流量で分配する（分配工程：ステップＳ１２）。

【0068】

次に、炉内反応の計算装置２０は、一方の隣接領域（領域（Ａ＋１））から領域Ａに流入する燃焼ガスである第１気相Ｇ１と、他方の隣接領域（領域（Ａ－１））から領域Ａに流入する第１ベッド層Ｓ１と、分配部２０１で分配された燃焼用材料の添加気相ＡＧ１及び添加ベッド層ＡＳ１１とを入力物質として与える。炉内反応の計算装置２０は、第１反応量の計算部２０２－１を用いて、第１気相Ｇ１と、添加気相とを含む第２気相Ｇ２のうちの、第１ベッド層Ｓ１及び添加ベッド層を含む第２ベッド層Ｓ２との平衡状態に寄与する第２気相Ｇ２の第１反応量を計算する（第１反応量の計算工程：ステップＳ１３）。

【0069】

即ち、炉内反応の計算装置２０は、第２気相Ｇ２と第２ベッド層Ｓ２とが反応して平衡状態に達すると仮定したときに、第２気相Ｇ２が第２ベッド層Ｓ２及び第２気相Ｇ２同士で反応して平衡状態に達する時の、反応に寄与する第１反応量を計算する。

【0070】

そして、炉内反応の計算装置２０は、第１反応量の計算結果に基づいて、第１反応量に相当する第１反応分Ｒ１と、残りの未反応量に相当する第１未反応分ｒ１とに分割する。

【0071】

次に、炉内反応の計算装置２０は、第１気相Ｇ１と、添加気相と、第１ベッド層Ｓ１と、添加ベッド層とを入力物質として与える。炉内反応の計算装置２０は、第２反応量の計算部２０２－２を用いて、第２ベッド層Ｓ２のうち、第２気相Ｇ２及び第２ベッド層Ｓ２同士での反応に寄与する、第２ベッド層Ｓ２の第２反応量を計算する（第２反応量の計算工程：ステップＳ１４）。

【0072】

即ち、炉内反応の計算装置２０は、第２気相Ｇ２と第２ベッド層Ｓ２とが反応して平衡状態に達すると仮定したときに、第２ベッド層Ｓ２が第２気相Ｇ２及び第２ベッド層Ｓ２同士で反応して平衡状態に達する時の反応に寄与する第２反応量を計算する。

【0073】

そして、炉内反応の計算装置２０は、第２反応量の計算結果に基づいて、第２反応量に相当する第２反応分Ｒ２と、残りの未反応量に相当する第２未反応分ｒ２とに分割する。

【0074】

次に、炉内反応の計算装置２０は、第１反応量の計算工程（ステップＳ１３）で得られた第１反応分Ｒ１と、第２反応量の計算工程（ステップＳ１４）で得られた第２反応分Ｒ２とを入力物質として与える。炉内反応の計算装置２０は、平衡反応計算部２０３を用いて、第１反応分Ｒ１と第２反応分Ｒ２との平衡反応を計算し、第１反応分Ｒ１と第２反応分Ｒ２とが平衡状態に達した時のそれぞれの熱量の変化及び流量を少なくとも計算する（平衡反応計算工程：ステップＳ１５）。

【0075】

このとき、炉内反応の計算装置２０は、平衡反応計算部２０３により、第２ベッド層Ｓ２に含まれる溶体を構成する端成分のギブズエネルギーと端成分の存在比率とに基づいて端成分が純物質として独立に存在する場合のギブズエネルギーを算出し、溶体モデルに基づいて端成分が独立に存在する場合のギブズエネルギーを補正することにより溶体のギブズエネルギーを算出する。

【0076】

炉内反応の計算装置２０は、第１反応分Ｒ１と第２反応分Ｒ２とが反応することで生じる気相と、第１反応分Ｒ１の未使用分とを、第１生成分Ｐ１として計算し、第１反応分Ｒ１と第２反応分Ｒ２とが反応することで生じるベッド層と、第２反応分Ｒ２の未使用分とを、第２生成分Ｐ２として計算する。

【0077】

次に、炉内反応の計算装置２０は、第１反応量の計算工程（ステップＳ１３）で得られた第１未反応分ｒ１と、平衡反応計算工程（ステップＳ１５）で得られた第１生成分Ｐ１とを入力物質として与え、第１の混合計算部２０４－１を用いて、第１未反応分ｒ１と第１生成分Ｐ１とを含む第３気相Ｇ３の流量および組成データを計算する（第１の混合計算工程：ステップＳ１６）。

【0078】

第１反応量の計算工程（ステップＳ１３）で計算した第１反応分Ｒ１は、第２気相Ｇ２と第２ベッド層Ｓ２とが平衡状態に達したと仮定した時の反応量であるため、通常、全て使用される。しかし、気相である第１反応分Ｒ１には、反応の量論比以上に存在する物質や反応に寄与しない不活性な物質が存在している場合がある。不活性な物質は、例えば、窒素等である。第１混合計算工程（ステップＳ１６）では、反応の量論比以上に存在し、結果として平衡反応後に残る物質や不活性な物質は、平衡反応計算部２０３で使用されずに残った未使用分として計算する。

【0079】

炉内反応の計算装置２０は、第３気相Ｇ３を領域Ａよりも装入端１４Ａ側の領域（領域Ａ－１）に移動する。

【0080】

次に、炉内反応の計算装置２０は、第２反応量の計算工程（ステップＳ１４）で得られた第２未反応分ｒ２と、平衡反応計算工程（ステップＳ１５）で得られた第２生成分Ｐ２とを入力物質として与え、第２の混合計算部２０４－２を用いて、第２未反応分ｒ２と第２生成分Ｐ２とを含む第３気相Ｇ３の流量および組成データを計算する。

【0081】

ベッド層である第２反応分Ｒ２には、反応の量論比以上に存在する物質や反応に寄与しない不活性な物質が存在している場合がある。第２混合計算工程（ステップＳ１７）では、第２反応分Ｒ２のうち、反応の量論比以上に存在し結果として反応で使用されなかった部分、および不活性な部分は、平衡反応計算部２０３で使用されずに残った未使用分として計算する。

【0082】

炉内反応の計算装置２０は、第３ベッド層Ｓ３を領域Ａよりも排出端１４Ｂ側の領域（領域Ａ＋１）に移動する。

【0083】

なお、本実施形態に係る炉内反応の計算方法は、第１反応量の計算工程（ステップＳ１３）と第２反応量の計算工程（ステップＳ１４）とを並行して行ってもよいし、第１反応量の計算工程（ステップＳ１３）を第２反応量の計算工程（ステップＳ１４）の後に行ってもよい。

【0084】

本実施形態に係る炉内反応の計算方法は、第１混合計算工程（ステップＳ１６）と第２混合計算工程（ステップＳ１７）とを並行して行ってもよいし、第１混合計算工程（ステップＳ１６）を第２混合計算工程（ステップＳ１７）の後に行ってもよい。

【0085】

本実施形態に係る炉内反応の計算方法は、炉内の熱伝導を、必要に応じて、放射、伝導及び対流等のモデルで計算してもよい。

【0086】

＜炉内反応の計算装置のハードウェア構成＞
次に、炉内反応の計算装置のハードウェア構成の一例について説明する。図４は、炉内反応の計算装置のハードウェア構成図である。図４に示すように、炉内反応の計算装置２０は、例えば、情報処理装置（コンピュータ）で構成され、物理的には、演算処理部であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：プロセッサ）２１と、主記憶装置であるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２２及びＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）２３と、補助記憶装置２４と、入出力インタフェース２５と、出力装置である表示装置２６等を含むコンピュータシステムとして構成することができる。これらは、バス２７で相互に接続されている。なお、補助記憶装置２４及び表示装置２６は、外部に設けられていてもよい。

【0087】

ＣＰＵ２１は、炉内反応の計算装置２０の全体の動作を制御し、各種の情報処理を行う。ＣＰＵ２１は、ＲＯＭ２３または補助記憶装置２４に格納された原料鉱石の反応計算プログラムを実行して、測定収録画面と解析画面の表示動作を制御する。

【0088】

ＲＡＭ２２は、ＣＰＵ２１のワークエリアとして用いられ、主要な制御パラメータや情報を記憶する不揮発ＲＡＭを含んでもよい。

【0089】

ＲＯＭ２３は、基本入出力プログラム等を記憶する。原料鉱石の反応計算プログラムはＲＯＭ２３に保存されてもよい。

【0090】

補助記憶装置２４は、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、及びＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等の記憶装置であり、例えば、原料鉱石の反応計算プログラムや炉内反応の計算装置２０の動作に必要な各種のデータ、ファイル等を格納する。

【0091】

入出力インタフェース２５は、タッチパネル、キーボード、表示画面、操作ボタン等のユーザインタフェースと、外部のデータ収録サーバ等からの情報を取り込み、他の電子機器に解析情報を出力する通信インタフェースとの双方を含む。

【0092】

表示装置２６は、モニタディスプレイ等である。表示装置２６では、測定収録画面と解析画面が表示され、入出力インタフェース２５を介した入出力操作に応じて画面が更新される。

【0093】

図４に示す炉内反応の計算装置２０の各機能は、ＲＡＭ２２やＲＯＭ２３等の主記憶装置又は補助記憶装置２４にシミュレーションソフトウェア（炉内反応の計算プログラムを含む）等を読み込ませ、ＲＡＭ２２、ＲＯＭ２３又は補助記憶装置２４に格納された原料鉱石の反応計算プログラム等をＣＰＵ２１により実行することにより、ＲＡＭ２２等におけるデータの読み出し及び書き込みを行うと共に、入出力インタフェース２５及び表示装置２６を動作させることで実現される。

【0094】

炉内反応の計算プログラムは、以下の構成のプログラムを用いることができる。
即ち、炉内反応の計算プログラムは、反応炉の一端側から供給した原料鉱石を他端側に向かって移動させながら、前記原料鉱石を前記他端側から供給された燃焼ガスと接触させて、乾燥させると共に還元を行う炉内反応の計算を少なくともコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記燃焼ガスを含む第１気相の、前記原料鉱石を含む第１ベッド層との平衡状態に寄与する第１反応量を計算して、前記第１気相の平衡反応に寄与する反応分を第１反応分として求める第１反応量の計算工程と、
前記原料鉱石を含む第１ベッド層の、平衡状態に寄与する第２反応量を計算して、前記第１ベッド層の平衡反応に寄与する反応分を第２反応分として求める第２反応量の計算工程と、
前記第１反応分と前記第２反応分とが平衡状態に達した時のそれぞれの熱量の変化及び流量を少なくとも計算する平衡反応計算工程と、
を含み、
前記平衡反応計算工程は、前記第１ベッド層に含まれる溶体を構成する端成分のギブズエネルギーと前記端成分の存在比率とに基づいて前記端成分が純物質として独立に存在する場合のギブズエネルギーを算出し、溶体モデルに基づいて前記端成分が独立に存在する場合のギブズエネルギーを補正することにより前記溶体のギブズエネルギーを算出する炉内反応の計算を少なくともコンピュータに実行させるプログラムを用いることができる。

【0095】

炉内反応の計算プログラムは、例えば、ＲＡＭ２２やＲＯＭ２３の主記憶装置又は補助記憶装置２４等のコンピュータが備える記憶装置内に格納される。なお、原料鉱石の反応計算プログラムは、その一部又は全部が、通信回線等の伝送媒体を介して伝送され、コンピュータが備える通信モジュール等により受信されて記録（インストールを含む）される構成としてもよい。また、原料鉱石の反応計算プログラムは、その一部又は全部が、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の携帯可能な記憶媒体に格納された状態から、コンピュータ内に記録（インストールを含む）される構成としてもよい。

【0096】

以上の通り、本実施形態に係る炉内反応の計算装置２０は、平衡反応計算部２０３を備え、平衡反応計算部２０３において、第１反応量の計算部２０２－１及び第２反応量の計算部２０２－２で得られた第１反応分Ｒ１及び第２反応分Ｒ２を用いて平衡反応を計算する。その際、平衡反応計算部２０３は、第２ベッド層Ｓ２に含まれる溶体を構成する端成分のギブズエネルギーと端成分の存在比率に基づいて端成分が純物質として独立に存在する場合のギブズエネルギーを算出し、溶体モデルに基づいて端成分が独立に存在する場合のギブズエネルギーを補正することにより溶体のギブズエネルギーを算出する。

【0097】

炉内反応の計算装置２０は、平衡反応計算部２０３において、ギブズエネルギー最小化法に基づいて平衡反応の計算のシミュレーションを行う際、計算物質に溶体物質を含め、第２ベッド層Ｓ２に含まれる溶体のギブズエネルギーを溶体モデルに基づいて計算する。これにより、炉内反応の計算装置２０は、溶体のギブズエネルギーを精度良く計算できるので、ギブズエネルギー最小化法に基づいて平衡反応の計算を行う際に、炉内反応の計算精度を向上させることができる。よって、炉内反応の計算装置２０は、第２ベッド層Ｓ２と第２気相Ｇ２との平衡反応をより正確に算出できるので、ロータリーキルン１内の物質の挙動をより高精度に解析できる。したがって、炉内反応の計算装置２０は、ロータリーキルン１内に存在する溶体を考慮して、ロータリーキルン１内の反応を高精度に計算できる。

【0098】

溶体を形成する場合、端成分に相当する純物質が混合せず単に共存している場合（即ち、溶体を形成しない場合）に比べて、ギブズエネルギーが変化する。即ち、各物質が単に共存しているものとして、各物質のモル分率とギブズエネルギーから加重平均によりギブズエネルギーを算出した場合、溶体が形成された時のギブズエネルギーからずれてしまう。そのため、ギブズエネルギー最小化法により炉内反応を計算するシミュレーション方法では、溶体のギブズエネルギーを正しく計算できない。炉内反応の計算装置２０は、計算に考慮する物質として溶体を含め、溶体のギブズエネルギーを、溶体に含まれる個々の端成分のギブズエネルギーから溶体モデルに基づいて計算する。そのため、炉内反応の計算装置２０は、溶体のギブズエネルギーを高精度に計算できるので、ギブズエネルギー最小化法に基づく炉内反応の計算精度を向上させることができる。

【0099】

炉内反応の計算装置２０は、平衡反応計算部２０３において、第２ベッド層Ｓ２に含まれる純物質のギブズエネルギーを算出できる。これにより、炉内反応の計算装置２０は、ロータリーキルン１内に存在する純物質も含めてロータリーキルン１内の反応を高精度に計算できる。

【0100】

炉内反応の計算装置２０では、溶体がオリビンを含むことができる。オリビンは原料鉱石に含まれるケイ酸塩が加熱されて分解することによって生成する成分であるため、本実施形態に係る炉内反応の計算方法は、原料鉱石中に形成された溶体を考慮して炉内反応の計算を高精度に行うことができる。

【0101】

炉内反応の計算装置２０は、第１反応量の計算部２０２－１及び第２反応量の計算部２０２－２を備えることができる。これにより、炉内反応の計算装置２０は、第１反応量の計算部２０２－１において、第１気相Ｇ１を含む第２気相Ｇ２から平衡反応に寄与する第１反応分Ｒ１を求め、第２反応量の計算部２０２－２において、第１ベッド層Ｓ１を含む第２ベッド層Ｓ２から平衡反応に寄与する第２反応分Ｒ２を求めることができる。そのため、炉内反応の計算装置２０は、第２気相Ｇ２及び第２ベッド層Ｓ２のうち、平衡反応計算部２０３において使用される反応分を求めることができるため、必要な反応分を用いて平衡反応計算を確実に行うことができる。

【0102】

炉内反応の計算装置２０は、第１の混合計算部２０４－１及び第２の混合計算部２０４－２を備えることができる。第１の混合計算部２０４－１では、第１未反応分ｒ１と、平衡反応計算部２０３で生成する第１生成分Ｐ１とを混合した第３気相Ｇ３の流量を少なくとも計算できる。第２の混合計算部２０４－２では、第２未反応分ｒ２と、平衡反応計算部２０３で生成する第２生成分Ｐ２とを混合した第３ベッド層Ｓ３の流量を少なくとも計算できる。これにより、炉内反応の計算装置２０は、第１気相Ｇ１の装入端１４Ａへの移動量と、熱分解後残渣であるベッド層Ｓ１の排出端１４Ｂへの移動量をより正確に計算できる。

【0103】

炉内反応の計算装置２０は、分配部２０１を備え、分配部２０１において、原料鉱石の移動の途中に投入された燃焼用材料に含まれる気相とベッド層とを添加気相ＡＧ１１と添加ベッド層ＡＳ１１とに質量流量で分配できる。炉内反応の計算装置２０は、ロータリーキルン１の途中から投入される燃焼用材料を第１気相Ｇ１及び第１ベッド層Ｓ１に分配してそれぞれ別々の燃料として扱い、添加気相ＡＧ１１は第２気相を構成する成分とし、添加ベッド層ＡＳ１１は第２ベッド層を構成する成分にできる。これにより、炉内反応の計算装置２０は、第２気相Ｇ２から第１反応分Ｒ１を求めると共に第２ベッド層Ｓ２から第２反応分Ｒ２を求めることで、平衡反応計算部２０３において、第２気相Ｇ２と第２ベッド層Ｓ２とから平衡反応に必要な反応分に基づいて平衡反応を計算できる。よって、炉内反応の計算装置２０は、ロータリーキルン１の途中から投入される燃焼用材料を考慮して、ロータリーキルン１内の物質の挙動を解析できるため、燃焼用材料を用いる場合でも、炉内反応の計算を高精度に行うことができる。

【0104】

このように、炉内反応の計算装置２０は、第２ベッド層Ｓ２に含まれる溶体を考慮して、炉内で生じる平行反応計算をより高精度に計算できる。よって、炉内反応の計算装置２０は、ロータリーキルン１内の全領域に適用することで、ロータリーキルン１内の全体の反応プロセスをより高精度に計算することを可能にできる。

【0105】

炉内反応の計算装置２０をロータリーキルン１の全体に適用する場合について説明する。炉内反応の計算装置２０は、例えば、図５に示すように、ロータリーキルン１内を複数の領域に分割した時の１つの領域Ａにおける反応プロセスを単位操作モデルと仮定した時、単位操作モデルの組合せによってロータリーキルン１内の反応プロセスをモデル化できる。そして、炉内反応の計算装置２０は、ロータリーキルン１内の複数の領域に、原料鉱石の流れ又は燃焼ガスの流れ（仮定した流れを含む。）に沿って繰り返し実施する（図５中の矢印参照）。そして、炉内反応の計算装置２０は、所定の領域における計算値とその領域における前回の計算値との差が所定の範囲内に収まるまで繰り返し実施する。

【0106】

炉内反応の計算装置２０をロータリーキルン１の全体に適用する場合のフローチャートを図６に示す。図６に示すように、炉内反応の計算装置２０は、ロータリーキルン１で起こる反応プロセスを複数の単位操作モデルの組合せによってモデル化する（モデル化工程：ステップＳ２１）。

【0107】

単位操作モデルには、上記の図２に示す炉内反応の計算装置２０が適用される。それぞれの単位操作モデル毎に、単位操作モデルを構成する、燃焼用材料の分配部２０１、第１反応量の計算部２０２－１、第２反応量の計算部２０２－２、平衡反応計算部２０３、第１の混合計算部２０４－１、第２の混合計算部２０４－２等が予め用意される。

【0108】

各単位操作モデルは、原料鉱石や燃焼ガスの流れ（仮定した流れを含む。）に沿って相互に接続される。

【0109】

次に、炉内反応の計算装置２０は、ステップＳ２１においてモデル化された単位操作モデルの計算を行う（計算工程：ステップＳ２２）。単位操作モデルには、流れの情報が入力される。

【0110】

流れの情報は、原料鉱石、燃焼ガス、及び燃焼用材料の成分、流量、温度、回転数等のデータである。流れの情報が入力されると、単位操作モデルは所定の計算を行い、その計算値（原料鉱石、燃焼ガス、及び燃焼用材料の成分、流量、温度等）が出力される。これらの計算結果から、図２に示す炉内反応の計算装置２０の各構成に用いる値が計算される。炉内反応の計算装置２０の各部に用いる値としては、第１気相Ｇ１の流量、燃焼用材料の分配部２０１で分配される揮発分及びベッド層の量、第２気相Ｇ２の流量、第３気相Ｇ３の流量、第１反応分Ｒ１の流量、第１未反応分ｒ１の流量、第１ベッド層Ｓ１の流量、第２ベッド層Ｓ２の流量、第２反応分Ｒ２の流量、第２未反応分ｒ２の流量、及び第３ベッド層Ｓ３の流量等である。

【0111】

本実施形態では、単位操作モデルの計算は、最も装入端１４Ａ側に位置する単位操作モデルから行う。

【0112】

次に、炉内反応の計算装置２０は、最終の単位操作モデルまで計算したか否か判断する（ステップＳ２３）。

【0113】

最終の単位操作モデルまで計算した場合（ステップ２３：Ｙｅｓ）は、炉内反応の計算装置２０は、単位操作モデルの前回の計算値があるか否か判断する（ステップＳ２４）。

【0114】

前回の計算値がある場合（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）には、炉内反応の計算装置２０は、計算工程（ステップＳ２２）において計算された計算値と、前回の計算値とを比較する（ステップＳ２５）。

【0115】

次に、炉内反応の計算装置２０は、計算値と前回の計算値との差が収束条件を満たすか否か判断する（比較工程：ステップＳ２６）。

【0116】

収束条件としては、例えば、計算値と前回の計算値との差が数℃（例えば、１℃）以下の範囲内である。

【0117】

計算値と前回の計算値との差が収束条件を満たす場合（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）には、炉内反応の計算装置２０は、計算を終了する。これにより、ロータリーキルン１のキルン本体１１内の全体で起こる反応プロセスが解析される。

【0118】

一方、ステップＳ２３において、最終の単位操作モデルまで計算していない場合（ステップＳ２３：Ｎｏ）は、炉内反応の計算装置２０は、隣接する他の単位操作モデルである領域Ａ＋１又は領域Ａ―１に位置する単位操作モデルに移行する（ステップＳ２７）。そして、炉内反応の計算装置２０は、領域Ａ＋１又は領域Ａ―１に位置する単位操作モデルの計算を行う（ステップＳ２２）。

【0119】

ステップＳ２４において、前回の計算値がない場合（ステップＳ２４：Ｎｏ）、又はステップＳ２６において、計算値と前回の計算値との差が収束条件を満たさない場合（ステップＳ２６：Ｎｏ）には、炉内反応の計算装置２０は、先頭の単位操作モデルに移行する（ステップＳ２８）。

【0120】

よって、炉内反応の計算装置２０は、ロータリーキルン１で起こる反応プロセスを複数の単位操作モデルの組合せによってモデル化し、単位操作モデルの接続順序に沿って、単位操作モデルの各々に設定された値に基づいて計算を行う。本実施形態では、それぞれの単位操作モデルの計算をロータリーキルン１の装入端１４Ａ側から排出端１４Ｂ側に向かって順じ行った後、排出端１４Ｂ側から装入端１４Ａ側に向かって行う（図５参照）。そして、一連の操作を、所定の領域Ａにおける計算値が所定の収束条件が満たされるまで繰り返す。その結果、ロータリーキルン１内のそれぞれの領域における、燃焼ガスと原料鉱石の流量等の計算結果が導き出される。これにより、ロータリーキルン１のキルン本体１１内の全体での燃焼ガス及び原料鉱石を構成する各物質の挙動をより正確に解析することが可能となる。

【0121】

このように、炉内反応の計算装置２０は、ロータリーキルン１内の全体の反応プロセスを原料鉱石に中に生じる溶体を考慮しながら高精度に解析することができるため、ロータリーキルン１の運転条件（例えば、ロータリーキルン１の大きさや回転数、原料鉱石の種類、供給量）等を変えながら、ロータリーキルン１内の各物質の挙動をより正確に解析できる。よって、炉内反応の計算装置２０は、原料鉱石の種類及び供給量の変更、ロータリーキルン１の設備改善の事前検討、操業条件等による影響調査等に有効に活用することが可能である。

【0122】

なお、本実施形態では、ロータリーキルン１内に供給される原料は、原料鉱石以外の原料でもよい。

【0123】

本実施形態では、図１に示すロータリーキルン１の途中から投下される燃焼用材料は、揮発分及びベッド層の両方を必ずしも含んでいなくてもよいし、揮発分及びベッド層以外に、灰分等の他の物質を含んでいてもよい。

【0124】

本実施形態では、図１に示すロータリーキルン１以外に、原料鉱石を装入端１４Ａ側から排出端１４Ｂ側に向かって移動させながら加熱する反応炉であればよい。

【0125】

以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更等を行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0126】

１ ロータリーキルン
１１ キルン本体
１６ バーナー
２０ 炉内反応の計算装置
２０１ 分配部
２０２－１ 第１反応量の計算部
２０２－２ 第２反応量の計算部
２０３ 平衡反応計算部
２０４－１ 第１の混合計算部
２０４－２ 第２の混合計算部
Ｇ１ 第１気相
Ｇ２ 第２気相
Ｇ３ 第３気相
Ｓ１ 第１ベッド層
Ｓ２ 第２ベッド層
Ｓ３ 第３ベッド層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】