CN102459652B - 高炉操作方法和用于其的低发热量气体的燃烧方法以及高炉设备 - Google Patents

Abstract

空气或富氧空气被从风口吹入高炉内，预热气体被从设于炉身部的气体吹入部（A）吹入高炉内。气体吹入部（A）具有气体燃烧·吹入装置（a）。气体燃烧·吹入装置（a）中，用于分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口形成在管状燃烧室的内壁面上。前述燃烧室的前端与高炉内部连通。该气体燃烧·吹入装置（a）的燃烧气体被作为预热气体吹入高炉内。

Description

高炉操作方法和用于其的低发热量气体的燃烧方法以及高炉设备

技术领域

本发明涉及用于实施稳定的低还原材料比操作的高炉操作方法和高炉设备、低发热量气体的燃烧方法。

背景技术

近年来，二氧化碳排出量的增加所导致的地球温暖化成为问题，抑制炼铁业中排出的二氧化碳也是重要的课题。有鉴于此，最近的高炉操作中强烈推进的是低还原材料比（低RAR）操作。RAR（Reduction　Agent　Ratio）是相对于每1吨生铁的、吹入燃料和由炉顶装入的焦炭的总量。

然而，RAR降低时，理论上送风量降低，结果导致炉身上部处装入物的升温迟缓、无法达成顺利的还原。反而助长锌化合物等的附壁，有可能导致风压变动或下料异常等炉况不正常。另外，在炉顶温度下降至低于100℃时，还会发生排气中的水分在配管内冷凝的问题。

通常的高炉操作中，为了防止上述各种炉况不正常，特别是为了防止炉上部处装入物的升温不良，通常采用以下对策：

（a）降低富氧率、增加气体量（降低热流比、提高气体温度）。

（b）增加微粉炭等燃料吹入量（降低热流比、提高气体温度）。

（c）降低还原效率（炉身效率）、提高还原材料比。

然而，上述（a）的对策由于会导致生产量降低，因而不理想。上述（b）依赖于吹入能力的富裕程度，对于在能力极限附近进行操作的炼铁厂来说，其增加量有限。另外，当增加燃料吹入量时，炉腹气体量增加而使生产量降低，因此有必要同时实施富氧化。但是，可使用的氧量在供给能力上也有限。上述（c）特意指向降低效率的操作，与削减二氧化碳的本来目的相悖。

如此，在普通高炉中进行低RAR操作时，通过在通常的操作范围内改变操作条件来避免各种炉况不正常、特别是炉上部的升温不良是困难的。

另一方面，在高炉操作中，将由高炉风口部的焦炭燃烧而产生的CO等还原气体用于铁矿石的还原，但提高其利用效率导致RAR的降低。

本来高炉气体是低发热量气体，但如上述那样RAR降低时，则产生的高炉气体的发热量会进一步降低。另外，钢铁制造工艺中，作为排热回收的一环，用焦炭干式灭火设备（CDQ）来回收由焦炭炉排出的红热焦炭的显热。CDQ用惰性气体来冷却焦炭，但也会混入回收时由焦炭产生的气体，而作为300kcal/Nm³左右的低发热量气体被回收。

工业上使用的气体燃烧器，根据燃料气体与助燃气体（含氧气体）的混合形式而大致分为扩散燃烧方式（外部混合）的燃烧器、和预混合燃烧方式（内部混合）的燃烧器，任一燃烧器均形成为在燃烧器前端的更前方形成火焰的结构。扩散燃烧方式（外部混合）的燃烧器是在燃烧器前端使燃料气体与助燃气体混合并燃烧的燃烧器，可得到高温的火焰，而受到广泛利用。另外，预混合燃烧方式的燃烧器具有可形成较短火焰等的优点。但是，上述以往的燃烧器由于在燃烧器前端的更前方形成火焰，因此有必要在燃烧器前方确保宽阔的燃烧用空间，存在燃烧设备必然为大型的问题。

作为以往的燃烧器中使用的燃料气体，除了LNG或丙烷气体之外，还有钢铁制造工艺所副产的焦炭炉气体、高炉气体、混合高炉气体与转炉气体而得的MIX气体等，它们中，单独使用高炉气体这样的低发热量气体时，由于空气比的改变或气体发热量的增减造成火焰的稳定并不充分，有时还会发生火焰熄灭。因此，为了维持火焰或维持燃烧，采用另外设置导燃器、或事先对燃料气体、助燃气体进行预热的方法。另外，使用低发热量气体时，根据燃烧条件，容易产生NO_X等有害物质的生成量增加、烃等未燃烧成分排出、或煤烟生成等问题，有可能成为环境污染源之一。

对于专利文献1，在进行富氧率为10体积%以下的风口热风吹入的普通高炉中，进行低还原材料比操作时，为了解决炉身上部处装入物的升温迟缓这一问题，炉顶温度为110℃以下时，将炉顶气体量的10体积%以下的量的气体作为炉身气体而从炉身上部吹入炉内。另外，专利文献1公开了将从炉顶部排出、然后通过气体净化装置的高炉气体的一部分取出，并用燃烧炉加热后用作上述炉身气体。

专利文献3中公开了为了使低发热量气体燃烧而使用管状火焰燃烧器，使燃料气体与含氧气体（助燃气体）一边旋转一边导入燃烧室内进行燃烧的方法。该专利文献3的方法中，使用氧浓度为60vol%以上的含氧气体来作为助燃气体，并在供给氧量相对于理论氧量之比为1.0~1.4的范围下实施。

现有技术文献

专利文献

专利文献1 : 日本特开2008−214735号公报

专利文献2 : 日本特开昭62−27509号公报

专利文献3 : 日本特开2007−271188号公报

非专利文献

非专利文献1 : 大野等人“铁与钢”日本钢铁协会　75（1989年），p.1278。

发明内容

发明要解决的技术问题

专利文献1的方法中，将高炉气体在燃烧炉进行加热（预热）再吹入炉内，要求该吹入气体受到充分预热，并且具有比吹入位置的炉内压更高的压力。

但是，与进行纯氧送风的所谓氧高炉工艺（例如，参照专利文献2、非专利文献1）不同，普通高炉工艺所产生的高炉气体为低发热量，因此有时难以在燃烧炉升温至所需的温度，例如，有时需要使用高发热量的辅助燃料等的对策。另外，由于高炉气体为低发热量，因此在通常的燃烧炉中容易产生燃烧温度的波动，因而存在氧残留于燃烧气体中，从而在吹入炉内时使正在还原的铁氧化物（Fe₃O₄、FeO）再氧化的问题。另外，也难以稳定地将预热气体吹入具有规定炉内压的高炉内。

上述专利文献3的方法中，存在如下所述的问题：

（1）作为助燃气体，需要为具有60vol%以上的氧浓度的含氧气体，但为了得到这样高浓度的氧，另外还需要深冷分离或膜分离等氧分离工艺；

（2）使低发热量气体在高浓度的氧下燃烧时，局部成为高温，有可能产生环境上有问题的热NO_X。另外，燃料气体中含有S成分时，还会促进SO_X的产生；

（3）用配管等导入高浓度的氧时，需要实施脱脂处理等，并利用不锈钢制管等来构建配管和阀类。因而需要昂贵的材料，设备成本变高。

本发明的第1目的在于提供可以防止低RAR操作时的炉况不正常、特别是可以防止炉上部处装入物的升温不良，同时即使使用高炉气体这样的低发热量气体作为吹入气体时，也可以使其稳定地燃烧而作为预热气体、且可将该预热气体稳定地吹入具有规定炉内压的高炉内的高炉操作方法和高炉设备。

本发明的第2目的在于解决用燃烧器使低发热量气体燃烧时的现有技术的问题，提供可以在燃烧器中不使用高氧浓度的助燃气体，而稳定地使低发热量气体燃烧的燃烧方法。

用于解决技术问题的手段

本发明人等为了解决上述以往的技术问题，特别是围绕预热气体的生成・吹入机构（手段）进行了研究，结果发现：通过在炉身部设置利用了以往加热炉或燃烧机器中使用的管状火焰燃烧器的方式的气体燃烧・吹入装置、并将该气体燃烧・吹入装置的燃烧气体作为预热气体吹入炉内，即便在使用高炉气体这样的低发热量气体时，也可以使其稳定地燃烧而形成预热气体，且可将该预热气体稳定地吹入具有规定炉内压的高炉内。

本发明是基于上述见解而完成的，其主旨如下所述。

（1）高炉操作方法，其是将空气或富氧空气从风口吹入高炉内的高炉操作方法，其特征在于，

将预热气体从设于炉身部的气体吹入部（A）吹入高炉内时，由在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成用于分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口、并使前述燃烧室的前端与高炉内部连通而得到的气体燃烧・吹入装置（a）来构成气体吹入部（A），并将该气体燃烧・吹入装置（a）的燃烧气体作为预热气体吹入高炉内。

（2）（1）所述的高炉操作方法，其特征在于，由在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成用于在该内壁面的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口、并使前述燃烧室的前端与高炉内部连通而得到的气体燃烧・吹入装置（a）来构成前述气体吹入部（A）。

（3）（1）所述的高炉操作方法，其特征在于，供给至气体燃烧・吹入装置（a）的燃料气体为高炉气体。

（4）（1）所述的高炉操作方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的开口而向燃烧室内分别供给燃料气体与助燃气体的气体喷嘴或用于供给燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴是由在装置的轴线方向上并列的多个喷嘴管来构成的。

（5）（1）所述的高炉操作方法，其特征在于，在气体燃烧・吹入装置（a）中，使燃烧室内的气流的旋流数Sw为3~10。

（6）权利要求1所述的高炉操作方法，其特征在于，向气体燃烧・吹入装置（a）的燃烧室内供给对燃烧气体进行稀释以调整气体温度和/或气体组成的稀释气体。

（7）（1）所述的高炉操作方法，其特征在于，通过气体导管而使气体燃烧・吹入装置（a）的燃烧室的前端与高炉内部连通。

（8）（7）所述的高炉操作方法，其特征在于，气体导管为岔管，该岔管通过连接管与形成在炉体上的多个气体吹入口连接，同时与气体燃烧・吹入装置（a）的燃烧室的前端连接。

（9）（1）或（2）所述的高炉操作方法，其特征在于，前述燃烧气体向高炉内的吹入是使用发热量为1000kcal/Nm³以下的气体作为燃料气体，同时在吹入燃烧室前的燃料气体和/或吹入燃烧室后的燃料气体中加入氢进行燃烧，并将其燃烧气体作为预热气体吹入高炉内。

（10）（9）所述的高炉操作方法，其特征在于，前述燃料气体是含有CO的燃料气体，前述氢是以使绝热火焰温度为750℃以上的方式来加入的。

（11）（9）所述的高炉操作方法，其特征在于，前述燃料气体与助燃气体或者燃料气体与助燃气体的预混合气体是从在气体燃烧・吹入装置（a）的轴线方向上并列设置的多个喷嘴管吹入的。

（12）（9）所述的高炉操作方法，其特征在于，前述燃料气体为高炉气体。

（13）（9）所述的高炉操作方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上形成了用于吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的气体燃烧・吹入装置（a），从前述开口向燃烧室内吹入氢。

（14）（9）所述的高炉操作方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上进一步形成了用于在该内壁面的大致切线方向上吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的气体燃烧・吹入装置（a），从前述开口向燃烧室内吹入氢。

（15）（13）或（14）所述的高炉操作方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的其它开口而向燃烧室内供给氢的气体喷嘴是由在装置的轴线方向上并列的多个喷嘴管构成的。

（16）（9）所述的高炉操作方法，其特征在于，在气体燃烧・吹入装置（a）中，使燃烧室内的气流的旋流数Sw为3~10。

（17）（9）所述的高炉操作方法，其特征在于，向气体燃烧・吹入装置（a）的燃烧室内供给对燃烧气体进行稀释以调整气体温度和/或气体组成的稀释气体。

（18）（1）或（2）所述的高炉操作方法，其中，前述燃烧气体向高炉内的吹入包括使用高炉气体作为燃料气体，同时在吹入燃烧室前的高炉气体和/或吹入燃烧室后的高炉气体中加入氢进行燃烧，并将其燃烧气体作为预热气体吹入高炉内。

（19）（18）所述的高炉操作方法，其特征在于，前述燃料气体为高炉气体，前述氢是以使绝热火焰温度为750℃以上的方式来加入的。

（20）（18）所述的高炉操作方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的开口而向燃烧室内分别供给燃料气体与助燃气体的气体喷嘴或用于供给燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴是由在装置的轴线方向上并列的多个喷嘴管构成的。

（21）（18）所述的高炉操作方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上进一步形成了用于吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的气体燃烧・吹入装置（a），从前述开口向燃烧室内吹入氢。

（22）（18）所述的高炉操作方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上进一步形成了用于在该内壁面的大致切线方向上吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的气体燃烧・吹入装置（a），从前述开口向燃烧室内吹入氢。

（23）（18）所述的高炉操作方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的其它开口而向燃烧室内供给氢的气体喷嘴是由在装置的轴线方向上并列的多个喷嘴管构成的。

（24）（18）所述的高炉操作方法，其特征在于，在气体燃烧・吹入装置（a）中，使燃烧室内的气流的旋流数Sw为3~10。

（25）（18）所述的高炉操作方法，其特征在于，向气体燃烧・吹入装置（a）的燃烧室内供给对燃烧气体进行稀释以调整气体温度和/或气体组成的稀释气体。

（26）高炉设备，其是将空气或富氧空气从风口吹入高炉内的高炉，其特征在于，

在炉身部设置气体吹入部（A），由在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成用于分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口、并使前述燃烧室的前端与高炉内部连通而得到的气体燃烧・吹入装置（a）来构成气体吹入部（A），使该气体燃烧・吹入装置（a）的燃烧气体吹入高炉内。

（27）（26）所述的高炉设备，其特征在于，由在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成用于在该内壁面的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口、并使前述燃烧室的前端与高炉内部连通而得到的气体燃烧・吹入装置（a）来构成前述气体吹入部（A）。

（28）（26）所述的高炉设备，其特征在于，具备用于从由高炉的炉顶部排出的高炉气体的流路取出高炉气体的一部分、并供给至气体燃烧・吹入装置（a）的流路。

（29）（26）所述的高炉设备，其特征在于，具有用于将供给至气体燃烧・吹入装置（a）的燃料气体与助燃气体分别升压或者用于将燃料气体与助燃气体的预混合气体升压的升压机。

（30）（26）所述的高炉设备，其特征在于，气体燃烧・吹入装置（a）中，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的开口而向燃烧室内分别供给燃料气体与助燃气体的气体喷嘴或用于供给燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴是由在装置的轴线方向上并列的多个喷嘴管构成的。

（31）（26）所述的高炉设备，其特征在于，气体燃烧・吹入装置（a）具有向燃烧室内供给对燃烧气体进行稀释以调整气体温度和/或气体组成的稀释气体的机构。

（32）（26）所述的高炉设备，其特征在于，通过气体导管而使气体燃烧・吹入装置（a）的燃烧室的前端与高炉内部连通。

（33）（32）所述的高炉设备，其特征在于，气体导管为岔管，该岔管通过连接管与形成在炉体上的多个气体吹入口连接，同时与气体燃烧・吹入装置（a）的燃烧室的前端连接。

接着，本发明人等为了解决上述第2课题而进行了研究，结果发现为了使1000kcal/Nm³以下（特别是800kcal/Nm³以下）的低发热量气体稳定燃烧，有效的是在使用管状火焰燃烧器的同时向燃料气体中加入氢。

另外，为了解决上述第二课题，特别是围绕预热气体的生成・吹入机构而进行了研究，结果发现：通过在炉身部设置利用了以往在加热炉或燃烧机器中使用的管状火焰燃烧器的方式的气体燃烧・吹入装置、并在用作该气体燃烧・吹入装置的燃料气体的低发热量气体中加入氢，将其燃烧气体作为预热气体吹入炉内，可以使高炉气体等低发热量气体稳定地燃烧而形成预热气体，且可将该预热气体稳定地吹入具有规定炉内压的高炉内。

（34）利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成了用于分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口的燃烧器中，使用发热量为1000kcal/Nm³以下的气体作为燃料气体时，向吹入燃烧室前的燃料气体和/或吹入燃烧室后的燃料气体中加入氢（其中，包括作为含氢气体加入的情形）。

（35）（34）所述的低发热量气体的燃烧方法，其中，由在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成用于在该内壁面的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口、并使前述燃烧室的前端与高炉内部连通而得到的气体燃烧・吹入装置（a）来构成前述气体吹入部（A）。

（36）（34）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，向含有CO的燃料气体中加入氢以使绝热火焰温度为750℃以上。

（37）（34）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的开口而向燃烧室内分别供给燃料气体与助燃气体的气体喷嘴或用于供给燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴是由在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管构成的。

（38）（34）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，燃料气体为高炉气体。

（39）（34）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上进一步形成了用于吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的燃烧器，从前述开口向燃烧室内吹入氢。

（40）（34）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上进一步形成了用于在该内壁面的大致切线方向上吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的燃烧器，从前述开口向燃烧室内吹入氢。

（41）（34）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的其它开口而向燃烧室内供给氢的气体喷嘴是由在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管构成的。

（42）（34）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，使燃烧室内的气流的旋流数Sw为3~10。

（43）（34）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，向燃烧室内供给对燃烧气体进行稀释以调整气体温度和/或气体组成的稀释气体。

（44）利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成了用于分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口的燃烧器中，使用高炉气体作为燃料气体时，向吹入燃烧室前的高炉气体和/或吹入燃烧室后的高炉气体中加入氢。

（45）（44）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，由在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成用于在该内壁面的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口、并使前述燃烧室的前端与高炉内部连通而得到的气体燃烧・吹入装置（a）来构成前述气体吹入部（A）。

（46）（44）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，在高炉气体中加入氢以使绝热火焰温度为750℃以上。

（47）（44）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的开口而向燃烧室内分别供给燃料气体与助燃气体的气体喷嘴或用于供给燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴是由在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管构成的。

（48）（44）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上进一步形成了用于吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的燃烧器，从前述开口向燃烧室内吹入氢。

（49）（44）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上进一步形成了用于在该内壁面的大致切线方向上吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的燃烧器，从前述开口向燃烧室内吹入氢。

（50）（44）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的其它开口而向燃烧室内供给氢的气体喷嘴是由在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管构成的。

（51）（44）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，使燃烧室内的气流的旋流数Sw为3~10。

（52）（44）所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，向燃烧室内供给对燃烧气体进行稀释以调整气体温度和/或气体组成的稀释气体。

发明效果

根据本发明，在普通高炉的操作中，可以防止低RAR操作时的炉上部处装入物的升温不良，同时还可以有效地抑制炉顶温度降低所致的水分冷凝或锌化合物的附壁等，因此可以稳定地实施低RAR操作。而且，通过用管状火焰燃烧器类型的气体燃烧・吹入装置来构成气体吹入部，即使在使用高炉气体这样的低发热量气体作为吹入气体时，也可以使其稳定地燃烧而形成预热气体，且可将该预热气体稳定地吹入具有规定炉内压的高炉内。

另外，根据本发明所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，可以使从高炉气体或CDQ回收的气体等低发热量气体稳定地燃烧，可以将低发热量气体作为燃料有效地利用。

附图说明

[图1] 模式地表示本发明的一实施方式的说明图

[图2] 表示图1的实施方式中构成气体吹入部A的气体燃烧・吹入装置a的一实施方式的部分欠缺的平面图

[图3] 图2的沿III−III线的剖面图

[图4] 表示图1的实施方式中构成气体吹入部A的气体燃烧・吹入装置a的其它实施方式的部分欠缺的平面图

[图5] 部分地表示图4的气体燃烧・吹入装置a的底面图

[图6] 图4的沿VI−VI线的剖面图

[图7] 图4的沿VII−VII线的剖面图

[图8] 表示实施例的燃烧试验中使用的试验装置的说明图

[图9] 表示实施例进行的燃烧试验中的燃烧室内压力与有效热利用率的关系的图

[图10] 模式地表示本发明中使用的气体燃烧・吹入装置a中、燃烧室内部的直径方向剖面的说明图

[图11] 模式地表示本发明中使用的气体燃烧・吹入装置a中、燃烧室内部的直径方向剖面的说明图

[图12] 图12a是在使炉体为水平剖面的状态下模式地表示本发明中的气体吹入部A的设置方式的一例的说明图；图12b是在使炉体为水平剖面的状态下模式地表示本发明中的气体吹入部A的设置方式的其它例子的说明图；图12c是在使炉体为水平剖面的状态下模式地表示本发明中的气体吹入部A的设置方式的其它例子的说明图

[图13] 表示本发明中使用的燃烧器的一实施方式的部分欠缺的平面图

[图14] 图13的沿II−II线的剖面图

[图15] 表示本发明中使用的燃烧器的其它实施方式，是沿与图13相同的剖面线的剖面图

[图16] 表示本发明中使用的燃烧器的其它实施方式的部分欠缺的平面图

[图17] 部分地表示图16的燃烧器的底面图

[图18] 图16的沿VI−VI线的剖面图

[图19] 图16的沿VII−VII线的剖面图

[图20] 模式地表示本发明的高炉操作方法的一实施方式的说明图

[图21] 模式地表示本发明中使用的燃烧器中、燃烧室内部的直径方向剖面的说明图

[图22] 模式地表示本发明中使用的燃烧器中、燃烧室内部的直径方向剖面的说明图

[图23] 表示本发明中使用的燃烧器的一实施方式的部分欠缺的平面图

[图24] 图23的沿II−II线的剖面图

[图25] 表示本发明中使用的燃烧器的其它实施方式，是沿与图24相同的剖面线的剖面图

[图26] 表示本发明中使用的燃烧器的其它实施方式的部分欠缺的平面图

[图27] 部分地表示图26的燃烧器的底面图

[图28] 图26的沿VI−VI线的剖面图

[图29] 图26的沿VII−VII线的剖面图

[图30] 模式地表示本发明的高炉操作方法的一实施方式的说明图

[图31] 模式地表示本发明中使用的燃烧器中、燃烧室内部的直径方向剖面的说明图

[图32] 模式地表示本发明中使用的燃烧器中、燃烧室内部的直径方向剖面的说明图。

具体实施方式

［实施方式1］

本发明以对空气或富氧空气进行风口送风的高炉操作、即普通高炉的操作作为对象。将富氧空气进行风口送风时，通常，进行富氧率20体积%以下、优选10体积%以下的操作。应予说明，随着富氧率增加，通过炉内的气体量会减少，将炉身上部升温所需的吹入气体量会大幅增加，因此从该点出发也优选如上所述富氧率下的操作。

图1是模式地表示本发明的一实施方式的说明图。图中，20为高炉、21为其风口，热风与辅助还原材料（例如，微粉炭、LNG等）被从该风口21吹入炉内。

从高炉20的炉顶部排出的高炉气体（炉顶气体）在被作为气体清洁装置的集尘器22除去灰尘、同样被湿气分离器23除去水分后，被导入炉顶气体发电装置24，在炉顶气体的压力被作为电力回收后，导出体系外。

本发明中，从设置于炉身部（优选炉身中部~上部）的气体吹入部A向高炉内吹入气体。如此向炉内吹入气体的主要目的是为了补偿低RAR操作所致的送风量的降低、以确保炉上部的气体流量，但无用地吹入使炉顶气体温度降低的温度的气体由于与发明的主旨相悖，故使用预热气体作为吹入气体。

如此从气体吹入部A向高炉内吹入预热气体时，本发明中，由在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成用于分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口、并使前述燃烧室的前端与高炉内部连通而得到的气体燃烧・吹入装置a来构成气体吹入部A，并将该气体燃烧・吹入装置a的燃烧气体作为预热气体吹入高炉内。

上述气体燃烧・吹入装置a的基本结构已知为，例如，日本特开11−281015号公报所示的管状火焰燃烧器。但是，该管状火焰燃烧器是作为加热炉或燃烧机器用而被开发使用的，在应用于高炉的气体吹入机构方面则完全没有研究。另外，近年来的高炉操作是在高压条件下进行，预热气体需要升压至比吹入位置的炉内压更高的压力来吹入，但管状火焰燃烧器却是以在常压状态下的使用为前提，对于在如上述的压力条件下使用方面也完全没有研究。与此相对，本发明中发现：作为使高炉气体等低发热量气体燃烧而进行预热、并将其从高炉的炉身部吹入炉内的机构，管状火焰燃烧器型的气体燃烧・吹入装置a具有非常优异的功能。

图1的实施方式中，将从炉顶部排出、然后经过了气体清洁装置（集尘器22和湿气分离器23）、炉顶气体发电装置24的高炉气体的一部分取出，并用升压机25a升压后，作为燃料气体而导入构成气体吹入部A的气体燃烧・吹入装置a。从高炉20的炉顶部排出的高炉气体的流路27中，分支有用于从炉顶气体发电装置24的下游侧的流路部分向气体燃烧・吹入装置a供给高炉气体的一部分的流路28。

另外，气体燃烧・吹入装置a中供给有作为氧或含氧气体（空气、富氧空气等）的助燃气体，该助燃气体也在用升压机25b升压后导入气体燃烧・吹入装置a。应予说明，气体燃烧・吹入装置a中使用燃料气体与助燃气体的预混合气体时，可以预先用升压机25a，25b将燃料气体与助燃气体分别升压，也可以将预混合气体用单一的升压机25升压。

图2和图3表示构成气体吹入部A的气体燃烧・吹入装置a的一实施方式，图2为部分欠缺的平面图，图3为沿图2中的III−III线的剖面图。

图中，1为前端开放的管状（圆筒状）的燃烧室、3a为燃料气体用的气体喷嘴、3b为助燃气体用的气体喷嘴。

前述燃烧室1通过其前端与设置于炉体的气体吹入口16连接，从而与高炉内部连通。在该燃烧室1的内部（后端侧）的内壁面100上形成有用于分别吹入燃料气体与助燃气体以在燃烧室内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流）的开口2a，2b（喷嘴口），前述气体喷嘴3a，3b分别与这些开口2a，2b连接。前述开口2a，2b（喷嘴口）形成为在偏离燃烧室1的轴芯的方向（偏芯方向）上吹入气体，以使吹入燃烧室1内的气体形成涡流。本实施方式的开口2a，2b形成为在内壁面100的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体。

前述开口2a，2b形成为沿管轴方向的狭缝状，并在内壁面100（内周面）上设置于180°对向的位置。上述开口2a与开口2b可各自设置多个，此时，相对于各开口2a，2b连接有气体喷嘴3a，3b。

应予说明，该实施方式中，通过使燃烧室1的前端与气体吹入口16直接连接而与高炉内部连通，但也可以使燃烧室10的前端通过适当的气体导管（例如，如图12b、图12c所示的岔管）而与高炉内部连通。该情形中，从燃烧室1的前端排出的燃烧气体经由气体导管而被吹入高炉内。

这里，可以从开口2a，2b（喷嘴口）分别吹入燃料气体与助燃气体以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流），特别优选设定来自开口2a，2b的气体的吹入方向，以使气体涡流达到如后述的优选旋流数Sw（在伴随旋转的流体的流动中表示旋转的强度的无因次数）的范围。图10模式地表示形成了开口2a，2b的位置处的燃烧室内部的直径方向剖面。在上述燃烧室1的直径方向剖面中，在内壁面100的周方向上的开口2a，2b的端部中，以从开口2a，2b排出并旋转的气流的旋转（回旋）方向上的前端侧的端部为点p，以该点p上的内壁面100的切线为x，以从开口2a，2b排出的气流的中心线（＝气体喷嘴3a，3b的轴芯）为y，以切线x与气流中心线y所成的角度为气体吹入角度θ时，优选设定该气体吹入角度θ，以达到优选的旋流数Sw的范围（Sw：3~10）。即，以由气体喷嘴3a的内径算出的开口2a处的燃料气体速度为Vf，以由气体喷嘴3b的内径算出的开口2b处的助燃气体速度为Va时，切线x方向上的燃料气体速度分量Vf1与助燃气体速度分量Va1则为如下：

Vf1＝Vf×cosθ

Va1＝Va×cosθ。

并且，优选确定气体吹入角度θ，以使将该Vf1、Va1作为开口2a，2b处的气体速度而算出的旋流数Sw达到规定的优选范围。旋流数Sw的求法如后所述。

另一方面，从气体燃烧・吹入装置a的结构方面来说，气体燃烧・吹入装置a优选为在燃烧室1的内壁面100上形成了用于在该内壁面的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体的开口2a，2b的结构。这是因为只要形成如上述的结构，则不管气体量或气体速度的改变、变化，均可实现优选的旋流数Sw。具体地，理想的是使图10所示的气体吹入角度θ为30°以下、更优选为10°以下。该气体吹入角度θ变大则有可能因气体量或气体速度而无法适当地形成沿内壁面100的气体涡流。本实施方式、后述图4~图7的实施方式均是气体吹入角度θ≈0°~5°左右。

这样的气体燃烧・吹入装置a中，向气体喷嘴3a供给作为燃烧气体的高炉气体、向气体喷嘴3b供给助燃气体，且上述燃料气体与助燃气体被从开口2a，2b（喷嘴口）吹入燃烧室1内。该燃料气体与助燃气体一边沿燃烧室1的内壁面100形成涡流，一边燃烧形成火焰。

应予说明，该气体燃烧・吹入装置a也可以使用燃料气体与助燃气体的预混合气体，该情形中，在燃烧室1的内壁面100上形成有用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流）的1个以上的开口2（喷嘴口），该开口2上连接有预混合气体供给用的气体喷嘴3。前述开口2与图2和图3的开口2a，2b一样，形成为在偏离燃烧室1的轴芯的方向（偏芯方向）上吹入气体，以使吹入燃烧室1内的气体形成涡流，特别优选形成为在内壁面100的大致切线方向上吹入气体（预混合气体）。应予说明，也可以从该开口2吹入气体以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流），但气体吹入方向的优选设定方法、或作为燃烧器结构优选的气体吹入角度θ与之前基于图10说明的开口2a，2b相同。

可以使用空气等含氧气体、氧气体来作为助燃气体，本发明在使用空气作为助燃气体时特别有用。助燃气体的供给量是维持稳定燃烧状态所需的量。使用空气作为助燃气体时，通常以空气比为1以上的方式进行供给。空气比是燃料的燃烧所需的理论空气量与实际供给的空气量之比（实际的空气量/理论空气量），空气比为1则燃料气体完全燃烧，成为CO₂和H₂O。空气比小于1的条件下则为不完全燃烧，变得无法继续稳定的燃烧。另外，空气比过量时则为稀薄燃烧，该情形也无法维持稳定燃烧状态。因此，通常优选在空气比为1.0~1.5的范围供给助燃气体。

燃料气体与助燃气体从喷嘴（开口）喷出的速度没有特别限制，但优选两者为同水平的速度。

如上述的气体燃烧・吹入装置a中，从气体喷嘴3a，3b和开口2a，2b吹入燃烧室1内而形成涡流的燃料气体与助燃气体（或两者的预混合气体）因气体的密度差而分层、在火焰的两侧形成密度不同的气体层。即，高温的燃烧排气存在于回旋速度小的轴心侧、未燃烧的气体存在于回旋速度大的内壁面100侧。另外，在内壁面100附近，由于回旋速度高于火焰传播速度，故火焰无法停留于内壁面附近。因此，在燃烧室1内稳定地生成管状的火焰。另外，由于燃烧室1的内壁面附近存在未燃烧的气体，故燃烧室1的内壁面不会因直接的传热而被加热至高温。并且，燃烧室1内的气体一边回旋一边流向前端侧，这期间，内壁面100侧的气体依次燃烧并向轴心侧移动，燃烧气体从开放的前端排出，通过气体吹入口16而被吹入高炉内。

图4~图7表示本发明所使用的气体燃烧・吹入装置a的其它实施方式，图4为气体燃烧・吹入装置a的部分欠缺的平面图、图5为部分地表示气体燃烧・吹入装置a的底面图、图6为沿图4中VI−VI线的剖面图、图7为沿图4中VII−VII线的剖面图。

图4~图7的实施方式中，燃料气体用的气体喷嘴3a与助燃气体用的气体喷嘴3b分别由在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管300a，300b构成。如此用多个喷嘴管300a，300b来构成气体喷嘴3a，3b，是为了如后所述利用气体喷嘴3a，3b来在燃烧室1内形成合适的涡流，同时使旋流数Sw为规定的优选范围内。

与图2和图3的实施方式相同，在前述燃烧室1的内部（后端侧）的内壁面100上形成有用于分别吹入燃料气体与助燃气体以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流）的开口2a，2b（喷嘴口），这些开口2a，2b也各自由多个开口200a，200b构成。而且，各开口200a各自与前述喷嘴管300a连接，各开口200b各自与前述喷嘴管300b连接。前述开口200a，200b形成为在偏离燃烧室10的轴芯的方向（偏芯方向）上吹入气体以使吹入燃烧室1内的气体形成涡流。本实施方式的开口200a，200b形成为在内壁面100的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体。

另外，在比前述气体喷嘴3a，3b（开口2a，2b）更靠燃烧室前端的位置设置有用于向燃烧室1内供给对燃烧气体进行稀释以调整其温度和/或组成的稀释气体的气体喷嘴14。该气体喷嘴14供给对燃烧气体进行稀释的气体，因而可以设置在不妨碍燃烧室1内的气体燃烧的位置，对燃烧室长度方向上的设置（连接）位置没有特别限制，本实施方式中，设置于比燃烧室长度方向的中央位置更靠燃烧室前端的位置。

气体喷嘴14可以用单一的喷嘴管构成，但本实施方式中是由在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管140来构成的。设置有气体喷嘴14的位置的燃烧室1的内壁面100上，形成有用于在相同内壁面的大致切线方向上吹入稀释气体以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流）的开口15（喷嘴口），该开口15与前述气体喷嘴14连接。本实施方式中，开口15由多个开口150构成，各开口150各自与前述喷嘴管140连接，也可以使开口15为沿管轴方向的狭缝状的单一开口，并将其与单一的气体喷嘴14连接。应予说明，该稀释气体用的开口15也可不必形成吹入气体以在燃烧室10内产生气体涡流的结构。

图4~图7所示的实施方式的气体燃烧・吹入装置a的其它结构、功能与图2和图3所示实施方式的气体燃烧・吹入装置a相同，故省略详细说明。

另外，也可以从前述开口200a，200b吹入气体以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流），气体吹入方向的优选设定方法、或作为燃烧器结构的优选的气体吹入角度θ与之前基于图10说明的开口2a，2b相同。

应予说明，该实施方式中，通过将燃烧室1的前端与气体吹入口16直接连接而使之与高炉内部连通，但也可以通过适当的气体导管（例如，如图12b、图12c所示的岔管）而使燃烧室1的前端与高炉内部连通。该情形中，从燃烧室1的前端排出的燃烧气体经由气体导管而吹入高炉内。

本发明中使用的气体燃烧・吹入装置a中，在燃烧室1内产生高温的燃烧气体，例如，高炉气体的理论燃烧温度在空气比1.0的条件下为约1300℃。以这样的燃烧气体为预热气体吹入高炉内时，优选对燃烧气体进行稀释并控制其温度或组成，以使炉内的焦炭不被吹入的燃烧气体中的CO₂所消耗、或者在炉内还原的铁矿石（磁铁矿）不被再氧化。本实施方式中，为了这样的目的，将用于调整燃烧气体的温度和/或组成的稀释气体从气体喷嘴14供给至燃烧室1内。

使用的稀释气体的种类可以对应于添加至燃烧气体中的目的（气体温度调整和/或气体组成调整）而适宜选择，从调整燃烧气体的组成方面出发，优选含有CO、H₂等还原气体的稀释气体。可以使用例如高炉气体、转炉气体、焦炭炉气体等中的1种以上，特别优选取出高炉气体的一部分来用作稀释气体。

另外，理想的是吹入高炉内的预热气体的温度为500℃以上，优选为800℃以上、1000℃以下，因而优选对稀释气体的温度与供给量进行选择，以达到这样的预热气体温度。

应予说明，对于具有用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴的气体燃烧・吹入装置a，可以用在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管来构成其气体喷嘴。另外，对于该气体燃烧・吹入装置a，可以设置如上述的稀释气体用的气体喷嘴14与开口15。

本发明的方法中，优选使燃烧室1内的气流的旋流数Sw为3~10的范围。旋流数是在伴随旋转的流体流动中表示旋转的强度的无因次数，旋流数越大则越是旋转强的流动。旋流数过小则燃料气体与助燃气体的混合变得不充分，燃料气体的点火变得不稳定，另一方面，过大则燃烧火焰有时会被吹灭。从以上的观点出发，旋流数Sw优选为3~10的范围。

旋流数Sw可以按照用于算出其的公知基本式子，通过对应于使用的气体燃烧・吹入装置a的形式或其使用方式的式子算出，例如，在使用如图2和图3的实施方式那样的、具有燃料气体吹入用的开口2a与助燃气体吹入用的开口2b的气体燃烧・吹入装置a时，旋流数Sw可通过下式求出

[数1]

其中，Rb：燃烧室半径(m)

Ab：燃烧室剖面积(m²)

ρa：助燃气体密度(kg/m³)

ρf：燃料气体密度(kg/m³)

Va：开口(喷嘴口)处的助燃气体速度(m/s)

Vf：开口(喷嘴口)处的燃料气体速度(m/s)

Qa：助燃气体实际流量(m³/s)

Qf：燃料气体实际流量(m³/s)。

另外，使用具有用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体的开口的气体燃烧・吹入装置a时，旋流数Sw可通过下式求出

[数2]

其中，Rb：燃烧室半径(m)

Ab：燃烧室剖面积(m²)

ρm：预混合气体密度(kg/m³)

Vm：开口(喷嘴口)处的预混合气体速度(m/s)

Qm：预混合气体实际流量(m³/s)。

在使旋流数Sw为如上述的优选范围时，优选如图4~图7的实施方式那样，分别用在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管300a，300b来构成燃料气体用的气体喷嘴3a与助燃气体用的气体喷嘴3b。这是因为下述原因。例如，在燃烧室内径：50mm、高炉气体量：30Nm³/h（气体密度：1.34kg/Nm³）、空气量：21.4Nm³/h（气体密度：1.29kg/Nm³）、空气比：1.1、高炉的炉内压：245kPa的条件的情形，气体喷嘴12a，12b分别由单一（1根）喷嘴管构成时，对于使旋流数Sw为3的喷嘴管的内径（换算为圆的内径。即、将喷嘴管内部的剖面积换算为圆的面积时的该圆的直径。以下，提及“喷嘴管的内径”时，表示相同含义），气体喷嘴3a为21mm（开口11a处的燃料气体速度：7m/s）、气体喷嘴3b为21mm（开口2b处的助燃气体速度：5m/s）。但是，像这样用单一的喷嘴管来构成气体喷嘴3a，3b时，在图2的II−II线剖面中，喷嘴管的内径变为燃烧室内径的约4/10，燃料气体和助燃气体在燃烧室中心方向（轴心）上的流量均增加，变得难以形成良好的涡流。因此，存在于轴心侧的高温燃烧排气有可能被冷却，本发明的效果有可能降低。图11模式地表示形成有开口2a，2b的位置处的燃烧室内部的直径方向剖面，将燃烧室1的半径作为R、将燃烧室直径方向上的气体喷嘴3a，3b的内部宽度或实际内径作为t时，则从开口2a，2b吹入的气流的中心位置（＝气体喷嘴3a，3b的轴芯）位于距离燃烧室1的中心（R−t/2）的位置。这里，若t相对于R变大，则在燃烧室中心方向（轴心）上的流量增加而变得难以形成良好的涡流，且管状火焰会形成于偏离管壁的位置，燃烧容易变得不稳定。从这样的观点出发，优选（R−t/2）/R≥0.8，但上述例子在该优选的条件之外。

与此相对，用在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管300a，300b来构成气体喷嘴3a，3b时，由于每一喷嘴管的内径变小，故难以发生如上述的问题，可以使旋流数Sw在优选的范围，同时产生良好的涡流。因此，燃料气体用的气体喷嘴3a与助燃气体用的气体喷嘴3b优选分别用在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管300a，300b来构成。基于相同的原因，对于具有用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴的气体燃烧・吹入装置a，也优选用在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管来构成其气体喷嘴。

另外，在如图4~图7所示的气体燃烧・吹入装置a的情形中，为了对燃烧气体进行稀释并控制其温度或组成，以使焦炭不被吹入高炉内的燃烧气体中的CO₂所消耗、或者在炉内还原的铁矿石（磁铁矿）不被再氧化，而从气体喷嘴14向燃烧室1内供给稀释气体。如前所述，作为稀释气体，优选含有CO、H₂等还原气体的稀释气体，可以使用例如高炉气体、转炉气体、焦炭炉气体等中的1种以上，其中，优选取出高炉气体的一部分来用作稀释气体。另外，如后所述，优选吹入炉内的预热气体的温度为500℃以上，理想为800℃以上、1000℃以下，因此优选对稀释气体的温度与供给量进行选择，以达到上述预热气体温度。

本发明中，将使用如上述的管状火焰燃烧器类型的气体燃烧・吹入装置a而得的效果与使用以往其它类型的气体燃烧器的情形进行比较说明。

以往，在工业上使用的气体燃烧器根据燃料气体与助燃气体的混合方式大致分为扩散燃烧方式（外部混合）的燃烧器与预混合燃烧方式（内部混合）的燃烧器，但这些气体燃烧器均为在燃烧器前端的更前方形成火焰的结构。因此，使用这样的气体燃烧器作为气体燃烧・吹入装置a时，火焰与从高炉上部落下的装入物（铁矿石、焦炭）直接接触，而发生焦炭的溶损反应，产生焦炭无用地被消耗等的问题。

另外，进行纯氧送风的氧高炉工艺的炉顶气体是氮少而CO为主体的气体，因此发热量高（例如，约1200kcal/Nm³）。因此即便是在如上述以往的一般的气体燃烧器中，也可没有特别问题地用作燃料气体。与此相对，本发明作为对象的普通高炉工艺中产生的高炉气体的发热量低（例如，约800kcal/Nm³），即使应用于如上述以往的一般的气体燃烧器中，也难以稳定燃烧。另外，指向低RAR操作时，高炉气体的发热量进一步降低。例如，以高炉内热质平衡模型来计算时，高炉气体的发热量：（1）在相当于RAR494kg/t的操作中为889kcal/Nm³、（2）在相当于RAR460kg/t的操作中为812kcal/Nm³、（3）在相当于RAR437kg/t的操作中为758kcal/Nm³、（4）在相当于RAR426kg/t的操作中为724kcal/Nm³，根据上述计算，高炉炉顶气体的温度为110℃以下。因此，例如，将从炉顶部排出的高炉气体的一部分取出并用氧燃烧得到的预热气体从炉身部吹入炉内、将高炉炉顶气体温度保持于110℃以上时，高炉气体发热量会进一步降低。例如，上述（2）的操作中，吹入800℃的预热气体100Nm³/t时，高炉气体发热量变为786kcal/Nm³，另外，上述（3）的操作中，吹入800℃的预热气体150Nm³/t时，高炉气体发热量变为715kcal/Nm³。这类低RAR操作导致的高炉气体发热量的降低使得利用如上述以往的一般气体燃烧器的稳定燃烧更加困难。

另外，通常的高炉是在4~5kg/cm²的加压下进行操作的同时从高炉上部落下装入物，因此时常发生压力变化。另外，还会因高炉炉壁上附着物的生成而产生漏气(blow-by)等。如上述以往的一般气体燃烧器中，由于上述原因使得火焰的稳定性受到阻害，还有可能发生吹灭等。

针对如以上的以往一般气体燃烧器的问题，本发明中通过使用管状火焰燃烧器类型的气体燃烧・吹入装置a，可得到如下效果。

（a）气体在燃烧室1内燃烧、燃烧室1的外侧不存在火焰，因此火焰不会与从高炉上部落下的装入物（铁矿石、焦炭）直接接触，对装入物的影响少。另外，同样地，由于燃烧室1的外侧不存在火焰，故不会受到高炉的炉内压或其变化、漏气等的影响，可以形成稳定的火焰，并向炉内稳定地吹入期望温度的燃烧气体。

（b）吹入炉内的预热气体需要具有比吹入位置的炉内压更高的压力，因此，实质上需要在气体燃烧・吹入装置a的燃烧室1内、在加压下进行气体燃烧，通过如此使燃烧室1为加压状态，使得特别如高炉气体之类的低发热量气体也可稳定地进行燃烧。气体燃烧・吹入装置a中，由于在燃烧室1内形成了稳定的火焰，燃料气体与助燃气体（氧）的混合性也良好，因而可以使气体高效且均一地燃烧，特别是，通过如上所述使燃烧室1为加压状态，气体密度会增加，因而相对于标准状态下的发热量，表观发热量增加。因此，燃料气体即便是如高炉气体这样的低发热量气体，或者即便燃料气体成分的浓度非常低时，也可以使之稳定地燃烧。

（c）同样地，通过使燃烧室1为加压状态，气体密度会变高，可以将燃料气体所具有的热量有效地转移至燃烧气体。特别是由于在燃烧室1的内壁面100附近存在未燃烧的气体和助燃气体，因而燃烧室1的内壁面100不会因直接的传热而被加热至高温，由于来自管壁的热损失少，因此该效果进一步提高。

（d）从气体吹入部A吹入的预热气体优选不含氧（作为O₂的氧气。以下相同）或氧浓度低。这是因为预热气体中存在氧时，会使在炉内正在还原的铁氧化物（Fe₃O₄、FeO）发生再氧化的缘故。在这点上，气体燃烧・吹入装置a通过在燃烧室1内形成稳定的火焰，可提高氧利用效率，特别是通过使燃烧室1为加压状态，可以进一步提高氧利用效率，使得可以在比理论氧量更少的氧量下进行稳定燃烧。因此，可以向炉内吹入不含氧或者氧浓度非常低的预热气体。

（e）通过在燃烧室1内形成稳定的火焰，吹入炉内的预热气体（燃烧气体）的温度的波动减小，可以使来自炉下部的高炉气体与从炉上部落下的装入物的温度没有波动地上升。

通常，在将高炉气体导入升压机6的流路9中，设置有测定高炉气体的组成、温度和压力等的传感器26a，另外，在气体吹入部A附近设置有测定炉内压力、温度的传感器26b，基于这些传感器26a，26b的测定值，而对由升压机25a，25b升压的气体压力、加入气体燃烧・吹入装置a中的助燃气体量等进行控制。

从气体吹入部A吹入预热气体可以不断进行，也可以仅在炉顶气体温度降低时进行。后者的情形中，例如，用传感器测定炉顶气体温度，在炉顶气体温度达到规定温度以下（例如，110℃以下）时，进行从气体吹入部A吹入预热气体。

从气体吹入部A吹入的预热气体的温度没有特别限制，但比吹入位置的炉内气体温度低时，则反而会冷却炉内，因此优选为比吹入位置的炉内气体温度高的温度，通常为500℃以上、优选800℃以上是理想的。另一方面，从抑制高炉内的溶损反应、或抑制用于提高装置耐热性的设备（材料）成本的观点出发，预热气体的温度优选为1000℃以下。预热气体中含有CO₂或H₂O时，若预热气体温度超过1000℃，则CO₂、H₂O与炉内的焦炭变得易于发生如下反应（溶损反应），使得焦炭被消耗。

C（焦炭）＋CO₂→2CO

C（焦炭）＋H₂O→CO＋H₂

另外，预热气体中不含CO₂或H₂O之类的氧化性气体时，虽然没有上述反应所致的焦炭的消耗，但需要以昂贵的耐热材料来构成装置（构成构件），设备成本会增大。

调整预热气体温度时，例如，除了改变所使用燃料气体的组成而对气体热量进行调整、在规定的范围内调整空气比等之外，如图4~图7那样向燃烧气体添加稀释气体时，还可以调整稀释气体的温度与供给量。

预热气体的吹入量也没有特别限制，通常可以是使炉顶气体温度维持在100℃以上的气体吹入量。例如，在相当于RAR470kg/t的操作中，若吹入800℃的预热气体100Nm³/t，则可以将炉顶气体温度维持在100℃以上。

炉高方向上的气体吹入部A的设置位置（预热气体的吹入位置）优选为炉身中部~上部，特别是将炉口半径设为R₀、将距离料线(stock line)的深度为R₀的位置设为p₁、将距离炉身部下端的高度为炉身部总高1/3的位置设为p₂时，在炉高方向上、在位置p₁与位置p₂之间设置气体吹入部A，并由该气体吹入部A吹入预热气体是优选的。若预热气体的吹入位置过浅（过于上方位置），则原料充填层的荷重小，因而产生原料的流动化或搅拌，有可能导致原料落下的稳定性降低。另一方面，若预热气体的吹入位置过深（过于下方位置），则有可能达到到炉内的软熔带，故不优选。

炉周方向上的气体吹入部A的设置数目、设置方式没有特别限定，但优选在炉周方向上以等间隔在多处进行设置。特别是，各气体吹入部A由1个气体吹入口16以及与之连接的1个气体燃烧・吹入装置a来构成时，至少在炉周方向上以等间隔设置n处（其中，n为4以上的偶数）气体吹入部A，并对应于预热气体的吹入总量，从前述n处气体吹入部A之中、在炉周方向上以等间隔选择进行预热气体吹入的气体吹入部A是优选的。此时，气体吹入部A的等间隔的设置数目为4，8，16，32，64等。应予说明，实际的设备中，由于与炉体冷却结构等的关系，有时难以在炉周方向上严格以等间隔设置气体吹入部A，因此允许设置位置的一些偏差。

各气体吹入部A可以如上所述由1个气体吹入口16以及与之连接的1个气体燃烧・吹入装置a来构成（图2~图7的实施方式与之相符），也可以由多个气体吹入口16、和通过岔管与之连接的1个或2个以上气体燃烧・吹入装置a来构成。

图12（a）~（c）是以水平横切炉体的状态的模式图来表示气体吹入部A的各种设置方式。其中，图12（a）的实施方式以1个气体吹入口16和与之连接的1个气体燃烧・吹入装置a来构成气体吹入部A，且在炉周方向上隔着间隔而设置多个该气体吹入部A。这样的实施方式中，可以根据每一个气体吹入口16来调整预热气体的吹入条件（预热气体温度、吹入量等）。应予说明，图12（a）中，仅针对一部分（2个）气体吹入部A来图示气体燃烧・吹入装置a。

另一方面，图12（b）与图12（c）的实施方式是由多个气体吹入口16、和通过岔管与之连接的气体燃烧・吹入装置a来构成气体吹入部A。这样的实施方式中，从气体燃烧・吹入装置a的燃烧室1排出的燃烧气体经由岔管而从多个气体吹入口16吹入高炉内。

图12（b）的实施方式中，在炉周方向上隔着间隔设置多个气体吹入口16，同时将这些气体吹入口16分为多个气体吹入口组17a~17d，并对上述各气体吹入口组17a~17d分别配置岔管18。而且，这些岔管通过连接管19而与构成各气体吹入口组17a~17d的多个气体吹入口16连接，同时还与气体燃烧・吹入装置a的燃烧室1的前端连接。这样的实施方式中，可根据每一个气体吹入口组17a~17d来调整预热气体的吹入条件（预热气体温度、吹入量等）。

应予说明，该实施方式中，相对于1个岔管18而连接1个气体燃烧・吹入装置a，但也可以连接2个以上气体燃烧・吹入装置a。

另外，图12（c）的实施方式中，在炉周方向上隔着间隔设置多个气体吹入口16，同时还配置沿着炉全周的环状的岔管18。而且，该岔管18通过连接管19与全部气体吹入口16连接，同时还与气体燃烧・吹入装置a的燃烧室1的前端连接。

应予说明，该实施方式中，岔管18上连接有1个气体燃烧・吹入装置a，但也可以连接2个以上气体燃烧・吹入装置a。

本发明为优选使用低发热量且可从极近位置导入的高炉气体作为气体燃烧・吹入装置a的燃料气体的实施方式，其中，从适当的流路位置取出由炉顶部排出的高炉气体的一部分来作为燃料气体使用是特别优选的实施方式。其中，作为燃料气体，可以使用高炉气体以外的气体，另外，还可以将高炉气体及其以外的气体（例如、焦炭炉发生气体）混合使用。另外，作为高炉气体，可以使用从气体清洁装置（集尘器22，湿气分离器23）的下游侧取出的高炉气体、从炉顶部与气体清洁装置之间取出的高炉气体、储藏于储气瓶中的高炉气体等。

[实施例]

为了验证本发明中使用的气体燃烧・吹入装置a的功能，使用图8所示结构的试验装置（相当于气体燃烧・吹入装置a的装置），进行提高了燃料气体（低发热量气体）和助燃气体（空气）的供给压力的燃烧试验。该试验装置的燃烧室为内径：50mm、总长：300mm，在其内壁面上形成的燃料气体吹入用的开口（喷嘴狭缝）的长度：48mm、宽度：5mm，相同地，助燃气体吹入用的开口（喷嘴狭缝）的长度：31mm、宽度：5mm。

作为燃料气体使用的低发热量气体的气体组成为CO：22vol%、CO₂：21vol%、H₂：5vol%、N₂：52vol%，发热量为792kcal/Nm³。相对于该燃料气体30Nm³/h，供给空气19.5Nm³/h以使理论氧量为1。

图9表示燃烧室内压力与由燃烧气体温度的测量值（用设置于靠燃烧室前端的位置的热电偶来测量）算出的有效热利用率的关系。应予说明，有效热利用率通过下式算出。

有效热利用率＝｛（E×F）/（C×G）｝×100

E：燃烧气体所具有的焓（kcal/Nm³）

F：燃烧气体流量（Nm³/h）

C：燃料气体发热量（kcal/Nm³）

G：燃料气体流量（Nm³/h）

根据图9，若燃烧室内压力变高，则有效热利用率提高，表示燃料气体有效地转换为热。

接着，使用构成燃料气体用的气体喷嘴与助燃气体用的气体喷嘴的喷嘴管的根数不同的气体燃烧・吹入装置a（试验装置），在表1所示条件下，进行使用了燃料气体（高炉气体）和助燃气体（空气）的燃烧试验。这里，各气体喷嘴由1根（单一）喷嘴管构成的气体燃烧・吹入装置a是具有如图2和图3的实施方式所示结构的气体喷嘴的装置（燃烧器），各气体喷嘴由多根喷嘴管构成的气体燃烧・吹入装置a是具有如图4~图7的实施方式所示结构的气体喷嘴的装置（燃烧器）。

各气体燃烧・吹入装置a的燃烧室的内径：50mm、总长：700mm，构成燃料气体用的气体喷嘴与助燃气体用的气体喷嘴的各喷嘴管的根数为，试验例1：5根、试验例2：4根、试验例3：2根、试验例4：1根、试验例5：4根、试验例6：2根。

试验例1~4中使用的气体燃烧・吹入装置a中，构成燃料气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为10mm，相同地，构成助燃气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为10mm。试验例5中使用的气体燃烧・吹入装置a中，构成燃料气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为6mm，相同地，构成助燃气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为6mm。试验例6中使用的气体燃烧・吹入装置a中，构成燃料气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为10mm，相同地，构成助燃气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为10mm。

作为燃料气体使用的高炉气体的气体组成为CO：23.5vol%、CO₂：23.0vol%、H₂：1.5vol%、N₂：52vol%，发热量为754kcal/Nm³。相对于该燃料气体：30Nm³/h，供给作为助燃气体的空气：19.4Nm³/h，以使理论氧量为1。应用的试验炉的炉内压为245kPa。

试验例6中，使用在燃烧器轴方向上距离燃料气体・助燃气体的吹入位置中心500mm的位置设置了稀释气体用的气体喷嘴（内径20mm）的气体燃烧・吹入装置a，供给稀释气体（高炉气体）24.5Nm³/h，以使从燃烧室排出的燃烧排气温度为800℃。通过该稀释气体的添加，燃烧气体组成变为含有CO（还原气体）8.4vol%。

试验例1~6中，进行燃烧室内的观察（由图8所示的观察窗进行观察）与燃烧排气的气体组成分析，按照下述基准评价燃烧状况。将其结果与气体喷嘴的构成、气体流量、旋流数Sw、燃烧气体组成（试验例6中为添加稀释气体后的气体组成）等一起示于表1。

×：燃烧状况中可见波动、测定到相当量的未燃CO。

○：稳定的燃烧继续、基本未测定到未燃CO（其中，试验例6的CO浓度是混合稀释气体所致的）

[表1]

［实施例1］

炉内容积5000m³的高炉中，使用如图2和图3所示的气体燃烧・吹入装置a，以如图1所示的实施方式来实施本发明。将从炉顶气体发电装置24的下游侧取出的高炉气体用升压机25a升压至比炉内压高0.2atm的压力，并作为燃料气体导入构成气体吹入部A的气体燃烧・吹入装置a中。另外，同样地将氧用升压机25b升压，并作为助燃气体导入至气体燃烧・吹入装置a中。使相对于气体燃烧・吹入装置a的高炉气体供给量为100Nm³/t，使其以氧5.6Nm³/t进行燃烧，生成800℃的燃烧气体，并将其作为预热气体吹入炉内。气体燃烧・吹入装置a中的氧比为0.335（相对于理论氧量）。预热气体的组成为CO：17.6vol%、CO₂：30.3vol%、H₂：4.6vol%、H₂O：2.7vol%、N₂：44.8vol%。通过吹入这样的预热气体，炉顶气体温度变为134℃，高炉操作中水分在配管内的冷凝也得到完全避免，可进行稳定的操作。

［实施例2］

炉内容积5000m³的高炉中，使用如图4~图7所示的气体燃烧・吹入装置a，以如图1所示的实施方式来实施本发明。将从炉顶气体发电装置5的下游侧取出的高炉气体用升压机25a升压至比炉内压高0.2atm的压力，并作为燃料气体导入构成气体吹入部A的气体燃烧・吹入装置a中。另外，同样地将氧用升压机25b升压，并作为助燃气体导入至气体燃烧・吹入装置a中。气体燃烧・吹入装置a中，使高炉气体30.3Nm³/t以空气5.6Nm³/t（氧比1.0）进行燃烧，同时向燃烧室内供给稀释气体（BFG）69.7Nm³/t，由此生成800℃的燃烧气体、并将其作为预热气体吹入炉内。预热气体的组成与实施例1相同。通过吹入这样的预热气体，炉顶气体温度变为147℃，高炉操作中水分在配管内的冷凝也得到完全避免，可以进行稳定的操作。

［实施方式2］

图13和图14表示本发明中使用的燃烧器（管状火焰燃烧器）的一实施方式，图13为部分欠缺的平面图，图14为沿图13中II−II线的剖面图。

图中，1为前端开放的管状（圆筒状）的燃烧室、3a为燃料气体用的气体喷嘴、3b为助燃气体用的气体喷嘴。

前述燃烧室1的内部（后端侧）的内壁面100上形成有用于分别吹入燃料气体（和氢）与助燃气体以在燃烧室内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流）的开口2a，2b（喷嘴口），这些开口2a，2b分别与前述气体喷嘴3a，3b连接。前述开口2a，2b（喷嘴口）形成为在偏离燃烧室1的轴芯的方向（偏芯方向）上吹入气体，以使吹入燃烧室1内的气体形成涡流。本实施方式的开口2a，2b形成为在内壁面100的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体。

前述开口2a，2b形成为沿管轴方向的狭缝状，并在内壁面100（内周面）上设置于180°对向的位置。上述开口2a与开口2b可各自设置多个，此时，相对于各开口2a，2b连接有气体喷嘴3a，3b。

气体喷嘴3a的气体导入部设置有用于混合燃料气体与氢的混合室4，该混合室4连接有燃料气体供给管5与氢供给管6。另一方面，气体喷嘴3b的气体导入部连接有助燃气体供给管7。

在其它图中，8~10为分别设置于燃料气体供给管5、氢供给管6和助燃气体供给管7上的流量调节阀、11为设置于氢供给管6上的流量计、12为用于检测燃烧室1内的燃烧状况的燃烧状况检测装置、13为火花塞。前述燃烧状况检测装置12可以为例如在火焰中插入热电偶等来测量温度的方式、使用Ultra Vision等检测火焰中的紫外线的光学方式等。另外，x为设置有燃烧器的炉体。

这里，可以从开口2a，2b（喷嘴口）分别吹入燃料气体与助燃气体，以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流），特别优选设定来自开口2a，2b的气体的吹入方向，以使气体涡流达到如后述的优选旋流数Sw（在伴随旋转的流体的流动中表示旋转的强度的无因次数）的范围。图21模式地表示形成了开口2a，2b的位置处的燃烧室内部的直径方向剖面。在上述燃烧室1的直径方向剖面中，在内壁面100的周方向上的开口2a，2b的端部中，以从开口2a，2b排出并旋转的气流的旋转（回旋）方向上的前端侧的端部为点p，以该点p上的内壁面100的切线为x，以从开口2a，2b排出的气流的中心线（＝气体喷嘴3a，3b的轴芯）为y，以切线x与气流中心线y所成的角度为气体吹入角度θ时，优选设定该气体吹入角度θ，以达到优选的旋流数Sw的范围（Sw：3~10）。即，以由气体喷嘴3a的内径算出的开口2a处的燃料气体速度为Vf、以由气体喷嘴3b的内径算出的开口2b处的助燃气体速度为Va时，切线x方向上的燃料气体速度分量Vf1与助燃气体速度分量Va1则为如下：

Vf1＝Vf×cosθ

Va1＝Va×cosθ

而且，优选确定气体吹入角度θ，以使将该Vf1、Va1作为开口2a，2b处的气体速度而算出的旋流数Sw达到规定的优选范围。旋流数Sw的求法如后所述。

另一方面，从燃烧器的结构方面来说，燃烧器优选为在燃烧室1的内壁面100上形成了用于在该内壁面的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体的开口2a，2b的结构。这是因为只要形成上述结构，则不管气体量或气体速度的改变、变化，均可实现优选的旋流数Sw。具体地，理想的是使图21所示气体吹入角度θ为30°以下、更优选为10°以下。该气体吹入角度θ变大则有可能因气体量或气体速度而无法适当地形成沿内壁面100的气体涡流。本实施方式、后述图15的实施方式、图16~图19的实施方式均是气体吹入角度θ≈0°~5°左右。

本发明在如上所述的管状火焰燃烧器中使用例如高炉气体、CDQ气体、含少量可燃成分的排气等发热量在1000kcal/Nm³以下（特别是800kcal/Nm³以下）的低发热量气体来作为燃料气体时，为了使其稳定燃烧而在燃料气体中添加氢。该氢可以作为纯氢气体添加、也可作为含氢气体添加（以下，本说明书中提及“（在燃料气体中添加的）氢”，意指包含“含氢气体”）。该含氢气体的氢浓度在燃料气体原本就含有氢时，不言而喻地需要高于燃料气体的氢浓度。因此，使用高炉气体（通常，H₂浓度：2~3vol%）来作为燃料气体时，需要使用氢浓度比高炉气体更高的含氢气体。除该点以外，对含氢气体的氢浓度没有特别限制，但通常优选使用氢浓度在20vol%以上的含氢气体。钢铁制造工艺中产生的气体中，例如，制造焦炭时所得的焦炭炉气体的氢浓度特别高（通常，55vol%左右），适宜作为含氢气体。

为了向燃料气体中添加氢，在图13和图14所示燃烧器中，燃料气体与氢通过燃料气体供给管5与氢供给管6而被供给至气体喷嘴3a的混合室4，在这里，氢被混合至燃料气体中，该氢混合燃料气体（混合了氢的燃料气体，以下相同）进入喷嘴主体中。另一方面，助燃气体通过助燃气体供给管7而被供给至气体喷嘴3b。这样，供给至气体喷嘴3a，3b的氢混合燃料气体与助燃气体被从开口2a，2b（喷嘴口）吹入燃烧室1内。该氢混合燃料气体与助燃气体一边沿着燃烧室1的内壁面100形成涡流一边燃烧、形成火焰。应予说明，如上述的燃烧通过利用火花塞13点火而开始，燃烧继续进行时，在该时刻结束利用火花塞13的点火。

由于燃料气体的发热量发生变化，例如，变为更低发热量，使得通过燃烧状况检测装置12检测的燃烧状况不稳定时，通过设置于氢供给管6的流量计11与流量调节阀9来增加氢的供给量。

应予说明，该燃烧器可以使用将燃料气体与助燃气体预先混合的气体（预混合气体），该情形中，在燃烧室1的内壁面100上形成有用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体，以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流）的1个以上的开口2（喷嘴口），该开口2连接有预混合气体供给用的气体喷嘴3。前述开口2与图13和图14的开口2a，2b相同地形成为在偏离燃烧室1的轴芯的方向（偏芯方向）上吹入气体，以使吹入燃烧室1内的气体形成涡流，特别优选形成为在内壁面100的大致切线方向上吹入气体（预混合气体）。而且，氢被添加至与助燃气体预混合之前的燃料气体或预混合气体中，如此添加了氢的预混合气体通过气体喷嘴3而从开口2被吹入燃烧室1内。应予说明，也可以从该开口2吹入气体，以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流），气体吹入方向的优选设定方法、作为燃烧器结构的优选气体吹入角度θ与之前基于图21所说明的开口2a，2b相同。

在如上所述的燃烧器中，从气体喷嘴3a，3b和开口2a，2b吹入燃烧室1内并形成涡流的氢混合燃料气体与助燃气体（或两者的预混合气体）因气体的密度差而分层、可在火焰的两侧形成密度不同的气体层。即，高温的燃烧排气存在于旋转速度小的轴心侧，而未燃烧的气体存在于旋转速度大的内壁面100侧。另外，在内壁面100附近，旋转速度高于火焰传播速度，因此火焰无法停留于内壁面附近。因此，管状的火焰稳定地在燃烧室1内生成。另外，由于末燃烧的气体存在于燃烧室1的内壁面附近，故燃烧室1的内壁面不会因直接的传热而被加热至高温。而且，燃烧室1内的气体一边旋转一边流向前端侧，该过程中，内壁面100侧的气体依次燃烧并向轴心侧移动，燃烧气体被从开放的前端排出。

氢的燃烧速度与CO等其它可燃性气体相比极为快速，因此通过添加氢可以使低发热量气体稳定地进行燃烧。这里，气体的燃烧速度（MCP：maximum　combustion　potential）由其组成确定，通过下式算出。

[数3]

其中 Si：气体中的各可燃性气体的燃烧速度、为下表所揭示的值

fi：气体中的各可燃性气体所涉及的系数、为下表所揭示的值

Ai：气体中的各可燃性气体的含有率（体积百分率）

K：衰减系数

αi：气体中的各可燃性气体的修正系数、为下表所揭示的值

CO₂：气体中的二氧化碳的含有率（体积百分率）

N₂：气体中的氮的含有率（体积百分率）

O₂：气体中的氧的含有率（体积百分率）

[表2]

表2

由上式计算的MCP中，氢为282，CO为100，氢为CO的2.8倍，燃烧速度快。因此，通过添加氢可以使低发热量气体稳定地燃烧。为了继续低发热量气体的燃烧，理论上，只要低发热量气体的绝热火焰温度是该燃料气体所含的气体种类的燃点以上（CO燃点：609℃、H₂燃点：500℃）的温度，或者燃料气体中所含的可燃性气体的浓度在爆炸下限浓度以上（CO爆炸下限浓度：12.5vol%、H₂：4vol%）即可。然而，本发明人的研究表明，对于如高炉气体等含CO的低发热量气体来说，若添加氢后的绝热火焰温度为750℃以上时，则可以进行稳定的燃烧。例如，对CO为10.1vol%（剩余部分为N₂等惰性气体和/或CO₂）的气体来说，发热量为305kcal/Nm³、绝热火焰温度为645℃，该状态下则无法稳定地继续燃烧，而需要其它用于助燃的导燃器。通过向该气体中添加氢3.0vol%，可以使绝热火焰温度变为750℃，而继续稳定的燃烧。绝热火焰温度是假设燃烧产生的热不流失至外部、并用于燃烧气体的升温而理论地计算得到的温度。

因此，对于如高炉气体等的含CO的低发热量气体来说，优选添加氢以使绝热火焰温度为750℃以上。另一方面，氢的添加量越多则燃烧的稳定性越因此而提高，但氢添加量过多则有损经济性。

如前所述，本发明可适用于使用原本就含有氢的低发热量气体来作为燃料气体的情形，不言而喻地，氢的添加量对应于原本所含的氢浓度来进行调整。

另外，本发明的燃烧方法中，若使燃烧室1为加压状态，则气体密度增加、表观发热量增加，因而即使是更低发热量的燃料气体也可以进行稳定的燃烧。

本发明中，可以使用空气等含氧气体、氧气来作为助燃气体，但本发明在使用空气作为助燃气体时特别有用。助燃气体的供给量为维持稳定燃烧状态所需的量。使用空气作为助燃气体时，通常，以空气比为1以上的方式进行供给。空气比是指燃料的燃烧所需的理论空气量与实际供给的空气量之比（实际的空气量/理论空气量），空气比为1则燃料气体完全燃烧、变成CO₂和H₂O。空气比小于1的条件下则为不完全燃烧，稳定燃烧无法继续。另外，空气比过量时则为稀薄燃烧，此时也不能维持稳定燃烧状态。因此，通常优选在空气比为1.0~1.5的范围供给助燃气体。

燃料气体与助燃气体从喷嘴（开口）喷出的速度没有特别限制，优选两者为相同水平的速度。

图13和图14的实施方式中，虽然是向吹入燃烧室1之前的燃料气体添加氢，但也可以向吹入燃烧室1后的燃料气体添加氢（即，在燃烧室1内向燃料气体添加氢）。图15是表示该情形中使用的燃烧器的一实施方式的剖面图（沿与图14相同的剖面线的剖面图）。该燃烧器在燃烧室1的内部（后端侧）的内壁面100上形成有与图14相同的开口2a，2b，同时在内壁面100的周方向上、在开口2a−开口2b之间的中央位置（即，在周方向上相对于开口2a，2b为90°的位置）上，形成有用于吹入氢（氢气或含氢气体，以下相同）以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流）的开口2c₁，2c₂（喷嘴口），该开口2c₁，2c₂分别连接有氢用的气体喷嘴3c₁，3c₂。与开口2a，2b相同，前述开口2c₁，2c₂（喷嘴口）也形成为在偏离燃烧室1的轴芯的方向（偏芯方向）上吹入气体（氢），以使吹入燃烧室1内的气体形成涡流。本实施方式的开口2c₁，2c₂形成为在内壁面100的大致切线方向上吹入氢。

与前述开口2a，2b相同，前述开口2c₁，2c₂形成为沿管轴方向的狭缝状。应予说明，该开口2c₁，2c₂可以仅设置任一者，另外，也可设置3个以上，此时，相对于各开口2c，连接有气体喷嘴3c。

应予说明，可以从该开口2c₁，2c₂吹入气体（氢），以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流），气体吹入方向的优选设定方法、作为燃烧器结构的优选气体吹入角度θ与之前基于图21说明的开口2a，2b相同。

在这样的燃烧器中，通过气体喷嘴3c而从开口2c₁，2c₂向燃烧室1内吹入氢，由此在燃烧室1内将氢添加至燃料气体中。

图15的实施方式的燃烧器的其它结构、功能与图13和图14所示实施方式的燃烧器相同，因而省略详细说明。应予说明，与图13和图14所示实施方式的燃烧器相同，可以使用预先混合燃料气体与助燃气体而得的气体（预混合气体），该情形中，如前所述，代替上述开口2a，2b而形成有用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体的1个以上的开口2（喷嘴口），该开口2连接有预混合气体供给用的气体喷嘴3。

本发明中，燃烧器的燃烧室1内，添加了氢的燃料气体与助燃气体形成涡流，从而可以使低发热量的燃料气体稳定燃烧，燃料气体为如高炉气体等以CO、CO₂、N₂为主体的气体时，氢与这些气体成分相比气体密度要低，因此如图15的实施方式所示吹入氢以形成涡流时，由于该密度差的缘故，氢向轴心侧移动而优选燃烧，从而促进其它气体的燃烧。因此，可进一步提高低发热量的燃料气体的燃烧性。

图16~图19表示本发明中使用的燃烧器（管状火焰燃烧器）的其它实施方式，图16为燃烧器的部分欠缺的平面图，图17为部分地表示燃烧器的底面图，图18为沿图16中VI−VI线的剖面图，图19为沿图16中VII−VII线的剖面图。

图16~图19的实施方式中，燃料气体用的气体喷嘴3a与助燃气体用的气体喷嘴3b分别由在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管300a，300b构成。如此用多个喷嘴管300a，300b来构成气体喷嘴3a，3b，是因为如后所述通过气体喷嘴3a，3b而在燃烧室1内形成适当的涡流，同时使旋流数Sw在规定的优选范围的缘故。

与图13和图14的实施方式相同，在前述燃烧室1的内部（后端侧）的内壁面100上，形成有用于分别吹入燃料气体与助燃气体以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流）的开口2a，2b（喷嘴口），这些开口2a，2b也分别由多个开口200a，200b来构成。而且，各开口200a分别连接有前述喷嘴管300a，各开口200b分别连接有前述喷嘴管300b。前述开口200a，200b形成为在偏离燃烧室1的轴芯的方向（偏芯方向）上吹入气体，以使吹入燃烧室1内的气体形成涡流。本实施方式的开口200a，200b形成为在内壁面100的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体。

另外，在较前述气体喷嘴3a，3b（开口2a，2b）更靠燃烧室前端的位置，设置有用于向燃烧室1内供给对燃烧气体进行稀释并调整其温度和/或组成的稀释气体的气体喷嘴14。该气体喷嘴14由于是供给对燃烧气体进行稀释的气体，因而只要设置于不妨碍燃烧室1内的气体燃烧的位置即可，而对燃烧室长度方向上的设置（连接）位置没有特别限制，在本实施方式中，可设置于较燃烧室长度方向的中央位置更靠燃烧室前端的位置。

气体喷嘴14可以由单一的喷嘴管构成，但本实施方式中，由在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管140来构成。设置有气体喷嘴14的位置的燃烧室1的内壁面100上，形成有用于在相同内壁面的大致切线方向上吹入稀释气体、以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流）的开口15（喷嘴口），该开口15连接有前述气体喷嘴14。本实施方式中，开口15由多个开口150构成，各开口150分别连接有前述喷嘴管140，也可以使开口15为沿管轴方向的狭缝状的单一开口，并使之与单一的气体喷嘴14连接。应予说明，该稀释气体用的开口15不一定形成为吹入气体以在燃烧室1内产生气体涡流的结构。

图16~图19的实施方式的燃烧器的其它结构、功能与图13和图14所示实施方式的燃烧器相同，因而省略详细说明。

另外，也可以从前述开口200a，200b吹入气体、以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流），但气体的吹入方向的优选设定方法、作为燃烧器结构的优选气体吹入角度θ与之前基于图21说明的开口2a，2b相同。

本发明中使用的燃烧器中，在燃烧室1内产生高温的燃烧气体，例如，高炉气体的理论燃烧温度在空气比为1.0的条件下为约1300℃。将本发明应用于如后所述的高炉操作方法、将燃烧器的燃烧气体作为预热气体吹入高炉内时，优选对燃烧气体进行稀释并控制其温度或组成，以使炉内的焦炭不被吹入的燃烧气体中的CO₂所消耗、或者在炉内还原的铁矿石（磁铁矿）不被再氧化。本实施方式中，为了上述目的而从气体喷嘴14向燃烧室1内供给用于调整燃烧气体的温度和/或组成的稀释气体。

所使用的稀释气体的种类可以对应于添加至燃烧气体中的目的（气体温度调整和/或气体组成调整）而适宜选择，但从调整燃烧气体的组成方面出发，优选含CO、H₂等还原气体的稀释气体。可以使用例如高炉气体、转炉气体、焦炭炉气体等的1种以上，特别优选取出高炉气体的一部分来作为稀释气体使用。

另外，将燃烧器的燃烧气体作为预热气体吹入高炉内时，如后所述，理想的是预热气体的温度为500℃以上、优选为800℃以上，故优选对稀释气体的温度和供给量进行选择以达到上述预热气体温度。

应予说明，对于具有用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴的燃烧器、或具有如图15实施方式的氢吹入用的气体喷嘴3c的燃烧器，也可以用在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管来构成这些气体喷嘴。另外，这些燃烧器中，也可以设置如上述的稀释气体用的气体喷嘴14与开口15。

本发明的燃烧方法中，优选使燃烧室1内的气流的旋流数Sw为3~10的范围。旋流数是在伴随旋转的流体的流动中表示旋转的强度的无因次数，旋流数越大则越是旋转强的流动。旋流数过小则燃料气体与助燃气体的混合变得不充分，燃料气体的点火变得不稳定，另一方面，过大则燃烧火焰有时会被吹灭。从以上的观点出发，旋流数Sw优选为3~10的范围。

旋流数Sw可以按照用于算出其的公知基本式子，通过对应于使用的燃烧器的形式或其使用方式的式子算出，例如，在使用如图13和图14的实施方式那样的、具有燃料气体吹入用的开口2a与助燃气体吹入用的开口2b的燃烧器时，旋流数Sw可通过下式求出。应予说明，下式中，燃料气体是指氢混合燃料气体。

[数4]

其中 Rb：燃烧室半径(m)

Ab：燃烧室剖面积(m²)

ρa：助燃气体密度(kg/m³)

ρf：燃料气体密度(kg/m³)

Va：开口(喷嘴口)处的助燃气体速度(m/s)

Vf：开口(喷嘴口)处的燃料气体速度(m/s)

Qa：助燃气体实际流量(m³/s)

Qf：燃料气体实际流量(m³/s)

另外，使用具有用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体的开口的燃烧器时，旋流数Sw可通过下式求出。应予说明，下式中预混合气体是指“燃料气体＋氢＋助燃气体”。

[数5]

其中 Rb：燃烧室半径(m)

Ab：燃烧室剖面积(m²)

ρm: 预混合气体密度(kg/m³)

Vm: 开口(喷嘴口)处的预混合气体速度(m/s)

Qm: 预混合气体实际流量(m³/s)

进而，在使用如图15的实施方式那样的、除了燃料气体吹入用的开口2a与助燃气体吹入用的开口2b之外还具有氢吹入用的开口2c的燃烧器时，旋流数Sw可通过下式求出。

[数6]

其中 Rb: 燃烧室半径(m)

Ab: 燃烧室剖面积(m²)

ρa: 助燃气体密度(kg/m³)

ρf: 燃料气体密度(kg/m³)

ρh: 氢(氢气或含氢气体)密度(kg/m³)

Va: 开口(喷嘴口)处的助燃气体速度(m/s)

Vf: 开口(喷嘴口)处的燃料气体速度(m/s)

Vh: 开口(喷嘴口)处的氢(氢气或含氢气体)流速(m/s)

Qa: 助燃气体实际流量(m³/s)

Qf: 燃料气体实际流量(m³/s)

Qh: 氢(氢气或含氢气体)实际流量(m³/s)

在使旋流数Sw为如上述的优选范围时，优选如图16~图19的实施方式那样，分别用在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管300a，300b来构成燃料气体用的气体喷嘴3a与助燃气体用的气体喷嘴3b。这是因为下述原因。例如，在燃烧室内径：50mm、燃烧气体量（高炉气体）：30Nm³/h（气体密度：1.34kg/Nm³）、空气量：21.4Nm³/h（气体密度：1.29kg/Nm³）、空气比：1.1、炉内压：245kPa（如后述高炉操作方法那样将燃烧器作为气体燃烧・吹入装置a而设置于高炉时的炉内压）的条件的情形，气体喷嘴3a，3b分别由单一（1根）喷嘴管构成时，对于使旋流数Sw为3的喷嘴管的内径（换算为圆的内径。即、将喷嘴管内部的剖面积换算为圆的面积时的该圆的直径。以下，提及“喷嘴管的内径”时，表示相同含义），气体喷嘴3a为21mm（开口2a处的燃料气体速度：7m/s）、气体喷嘴3b为21mm（开口2b处的助燃气体速度：5m/s）。但是，像这样用单一的喷嘴管来构成气体喷嘴3a，3b时，在图13的II−II线剖面中，喷嘴管的内径变为燃烧室内径的约4/10，燃料气体和助燃气体在燃烧室中心方向（轴心）上的流量增加，变得难以形成良好的涡流。因此，存在于轴心侧的高温燃烧排气有可能被冷却，本发明的效果有可能降低。图22模式地表示形成有开口2a，2b的位置处的燃烧室内部的直径方向剖面，将燃烧室1的半径作为R、将燃烧室直径方向上的气体喷嘴3a，3b的内部宽度或实际内径作为t时，从开口2a，2b吹入的气流的中心位置（＝气体喷嘴3a，3b的轴芯）则位于距离燃烧室1的中心（R−t/2）的位置。这里，若t相对于R变大，则在燃烧室中心方向（轴心）上的流量增加而变得难以形成良好的涡流，且管状火焰会形成于偏离管壁的位置，燃烧容易变得不稳定。从这样的观点出发，优选（R−t/2）/R≥0.8，但上述例子在该优选的条件之外。

与此相对，用在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管300a，300b来构成气体喷嘴3a，3b时，由于每一喷嘴管的内径变小，故难以发生如上述的问题，可以使旋流数Sw在优选的范围，同时产生良好的涡流。因此，燃料气体用的气体喷嘴3a与助燃气体用的气体喷嘴3b优选分别用在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管300a，300b来构成。基于相同的原因，对于具有用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴的燃烧器、或具有如图15的实施方式的氢气吹入用的气体喷嘴3c的燃烧器，也优选用在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管来构成这些气体喷嘴。

本发明中，作为燃料气体使用的低发热量气体的发热量在1000kcal/Nm³以下。通常，发热量超过1000kcal/Nm³的气体即便不特别应用本发明，也可通过以往的方法进行燃烧。因此，本发明中，实质上要求添加了氢的燃料气体的发热量也为1000kcal/Nm³以下。另外，发热量在800kcal/Nm³以下的气体由于特别难以获得稳定的燃烧性，因而将其作为燃料气体使用时，本发明的有用性特别高。另一方面，燃料气体的发热量小于300kcal/Nm³时，即便应用本发明也有时难以稳定进行燃烧。故本发明中使用的燃料气体的发热量还优选为300kcal/Nm³以上。

接着，对应用了利用上述燃烧器的低发热量气体的燃烧方法的高炉操作方法进行说明。

本发明的高炉操作方法以将空气或富氧空气进行风口送风的高炉操作、即普通高炉的操作作为对象。将富氧空气进行风口送风时，通常，在富氧率为20体积%以下、优选为10体积%以下的条件下进行操作。应予说明，随着富氧率增加，通过炉内的气体量会减少，将炉身上部升温所需的吹入气体量会大幅增加，因此从该点出发，也优选在上述富氧率条件下的操作。

图20是模式地表示本发明的高炉操作方法的一实施方式的说明图。图中，20为高炉，21为其风口，从该风口21向炉内吹入热风与辅助还原材料（例如，微粉炭、LNG等）。

从高炉20的炉顶部排出的高炉气体（炉顶气体）通过作为气体清洁装置的集尘器22除去灰尘，同样地通过湿气分离器23除去水分后，被导入炉顶气体发电装置24，将炉顶气体的压力作为电力回收后，导出体系外。

本发明中，从设于炉身部（优选炉身中部~上部）的气体吹入部A向高炉内吹入气体。如此向炉内吹入气体的主要目的是为了对低RAR操作所致的送风量的降低进行补充，确保炉上部处的气体流量，但由于无用地吹入使炉顶气体温度降低的温度的气体与发明的主旨相悖，故使用预热气体作为吹入气体。

如此从气体吹入部A向高炉内吹入预热气体时，本发明中，由使如前所述的燃烧器（例如，图13和图14的燃烧器、图15的燃烧器、图16~图19的燃烧器中的任一者）的燃烧室的前端与高炉内部连通而得到的气体燃烧・吹入装置a来构成气体吹入部A，并将该气体燃烧・吹入装置a的燃烧气体作为预热气体吹入高炉内。即，图13或图16中，x为高炉20的炉体，以使燃烧室1的前端与高炉内部连通的方式而将燃烧器安装于炉体x，以构成气体燃烧・吹入装置a。

这种气体燃烧・吹入装置a的基本结构已知为管状火焰燃烧器。但是，该管状火焰燃烧器是作为加热炉或燃烧机器用而被开发使用的，对于在高炉的气体吹入机构中应用则完全没有研究过。另外，近年来的高炉操作在高压条件下进行，预热气体要求升压至比吹入位置的炉内压更高的压力再吹入，而管状火焰燃烧器却是以常压状态下的使用为前提，对在如上所述压力条件下使用则完全没有研究过。与此相对，本发明中发现作为使高炉气体等低发热量气体燃烧而进行预热、并将其从高炉的炉身部吹入炉内的机构，管状火焰燃烧器类型的气体燃烧・吹入装置a具有非常优异的功能。另外，还发现将高炉气体等低发热量气体作为燃料气体使用时，通过如前所述向燃料气体中添加氢，可以进行稳定的燃烧。

图20的实施方式中，将从炉顶部排出、然后经由气体清洁装置（集尘器22和湿气分离器23）、炉顶气体发电装置24的高炉气体的一部分取出，并用升压机25a升压，然后作为燃料气体导入构成气体吹入部A的气体燃烧・吹入装置a中。将氢混合至燃料气体中时，将氢直接导入燃料气体的配管内、或者使用未图示的混合机而将氢混合至燃料气体中，制为氢混合燃料气体。从高炉20的炉顶部排出的高炉气体的流路27中，自炉顶气体发电装置24的下游侧的流路部分分支有用于将高炉气体的一部分供给至气体燃烧・吹入装置a的流路28。

另外，作为含氧气体（空气、富氧空气、高氧浓度气体等）的助燃气体被供给至气体燃烧・吹入装置a中，该助燃气体也是用升压机25b升压后再导入气体燃烧・吹入装置a。应予说明，气体燃烧・吹入装置a中使用燃料气体与助燃气体的预混合气体时，可以事先用升压机25a，25b将燃料气体与助燃气体分别升压、也可以用单一的升压机25将预混合气体升压。此时，向与助燃气体预混合之前的燃料气体中导入氢（或用混合机混合氢）、或者向预混合气体中导入氢（或用混合机混合氢）。

另外，图14所示燃烧器的情形中，氢用升压机升压后，与燃料气体分别导入气体燃烧・吹入装置a，并吹入其燃烧室。

另外，图16~图19所示燃烧器的情形中，为了对燃烧气体进行稀释并控制其温度或组成，以使焦炭不被吹入高炉内的燃烧气体中的CO₂所消耗、或使在炉内还原的铁矿石（磁铁矿）不被再氧化，而从气体喷嘴14将稀释气体供给至燃烧室1内。如前所述，作为稀释气体，优选含有CO、H₂等还原气体的稀释气体，可以使用例如高炉气体、转炉气体、焦炭炉气体等的1种以上，其中，优选取出高炉气体的一部分来用作稀释气体。另外，理想的是预热气体的温度为500℃以上、优选为800℃以上，因此优选选择稀释气体的温度与供给量以达到这样的预热气体温度。

接着，将本发明中通过使用管状火焰燃烧器类型的气体燃烧・吹入装置a、并且向作为燃料气体的低发热量气体（特别是使用在低还原材料比操作下产生的高炉气体时）中添加氢而获得的效果与使用以往其它类型的气体燃烧器的情形进行比较说明。

以往，在工业上使用的气体燃烧器多数是在燃烧器前端的更前方形成火焰的结构。因此，使用这类气体燃烧器作为气体燃烧・吹入装置a时，火焰与从高炉上部落下的装入物（铁矿石、焦炭）直接接触而发生焦炭的溶损反应，产生焦炭无用地被消耗等的问题。

另外，进行纯氧送风的氧高炉工艺的炉顶气体是氮少而CO为主体的气体，因此发热量高（例如，约1200kcal/Nm³）。因此即便是在如上述以往的一般的气体燃烧器中，也可以没有特别问题地用作燃料气体。与此相对，本发明作为对象的普通高炉工艺中产生的高炉气体的发热量低（例如，约800kcal/Nm³），即使应用于如上述以往的一般的气体燃烧器中，也难以稳定燃烧。另外，指向低RAR操作时，高炉气体的发热量进一步降低。例如，以高炉内热质平衡模型来计算时，高炉气体的发热量：（1）在相当于RAR494kg/t的操作（PCR：130kg/t、送风温度：1150℃）中为722kcal/Nm³、（2）在相当于RAR450kg/t的操作（PCR：130kg/t、送风温度：1200℃、使用高反应性焦炭、降低热损失43%、使炉身效率相对于上述（1）的操作提高2%）中为620kcal/Nm³、（3）在相当于RAR412kg/t的操作（PCR：130kg/t、送风温度：1200℃、使用高反应性焦炭、降低热损失57%、使炉身效率相对于上述（1）的操作提高4%）中为517kcal/Nm³。根据上述计算，在上述（2）和（3）的操作中，高炉炉顶气体的温度为110℃以下。因此，例如，将从炉顶部排出的高炉气体的一部分取出、并用氧燃烧得到的预热气体从炉身部吹入炉内、将高炉炉顶气体温度保持于110℃以上时，高炉气体发热量会进一步降低。例如，上述（2）的操作中，吹入800℃的预热气体100Nm³/t时，高炉气体发热量变为590kcal/Nm³，另外，上述（3）的操作中，吹入800℃的预热气体150Nm³/t时，高炉气体发热量变为477kcal/Nm³。这类低RAR操作导致的高炉气体发热量的降低使得利用如上述以往的一般气体燃烧器的稳定燃烧更加困难。

另外，通常的高炉是在4~5kg/cm²的加压下进行操作的同时从高炉上部落下装入物，因而时常发生压力变化。另外，还会因高炉炉壁上附着物的生成而发生漏气等。如上述以往的一般气体燃烧器中，由于上述原因使得火焰的稳定性受到阻害、有可能发生吹灭等。

针对如上述以往一般气体燃烧器的问题，本发明中通过使用管状火焰燃烧器类型的气体燃烧・吹入装置a、并且在用作燃料气体的高炉气体等低发热量气体中添加氢来进行稳定燃烧，可以获得如下效果。

（a）气体在燃烧室1内燃烧、燃烧室1的外侧不存在火焰，因此火焰不会与从高炉上部落下的装入物（铁矿石、焦炭）直接接触，对装入物的影响少。另外，同样地，由于燃烧室1的外侧不存在火焰，故不会受到高炉的炉内压或其变化、漏气等的影响，可以形成稳定的火焰，并向炉内稳定地吹入期望温度的燃烧气体。

（b）吹入炉内的预热气体需要具有比吹入位置的炉内压更高的压力，因此，实质上需要在气体燃烧・吹入装置a的燃烧室1内、在加压下进行气体燃烧，通过如此使燃烧室1为加压状态，从而形成有利于特别是如高炉气体之类的低发热量气体进行稳定燃烧的条件。气体燃烧・吹入装置a中，由于在燃烧室1内形成了稳定的火焰，燃料气体与助燃气体的混合性也良好，因而可以使气体有效且均一地燃烧，特别是，通过如上所述使燃烧室1为加压状态，气体密度会增加，因而相对于标准状态下的发热量，表观发热量增加。因此，燃料气体即便是高炉气体之类的低发热量气体，或者即便燃料气体成分的浓度非常低时，也可以结合向燃料气体中添加氢而稳定地进行燃烧。

（c）同样地，通过使燃烧室1为加压状态，气体密度会变高，可以将燃料气体所具有的热量有效地转移至燃烧气体。特别是由于在燃烧室1的内壁面100附近存在未燃烧的气体和助燃气体，因而燃烧室1的内壁面100不会因直接的传热而被加热至高温，由于来自管壁的热损失少，因此该效果进一步提高。

（d）从气体吹入部A吹入的预热气体优选不含氧（作为O₂的氧气。以下相同）或氧浓度低。这是因为预热气体中存在氧时，会使在炉内还原的铁氧化物（Fe₃O₄、FeO）被再氧化的缘故。在该点上，气体燃烧・吹入装置a通过在燃烧室1内形成稳定的火焰，可提高氧利用效率，特别是通过使燃烧室1为加压状态，可以进一步提高氧利用效率，使得可以在比理论氧量更少的氧量下进行稳定的燃烧。因此，可以向炉内吹入不含氧或者氧浓度非常低的预热气体。

（e）通过在燃烧室1内形成稳定的火焰，吹入炉内的预热气体（燃烧气体）的温度的波动小，可以使来自炉下部的高炉气体与从炉上部落下的装入物的温度没有波动地上升。

通常，将高炉气体导入升压机25的流路28中，设置有测定高炉气体的组成、温度和压力等的传感器26_A，另外，在气体吹入部A附近设置有测定炉内压力、温度的传感器26_B，基于这些传感器26_A，26_B的测定值，而对由升压机25a，26b升压的气体压力、加入气体燃烧・吹入装置a中的助燃气体量、氢量等进行控制。

从气体吹入部A吹入预热气体可以不断进行，也可以仅在炉顶气体温度降低时进行。后者的情形中，例如，用传感器测定炉顶气体温度，在炉顶气体温度达到规定温度以下（例如，110℃以下）时，进行从气体吹入部A吹入预热气体。

从气体吹入部A吹入的预热气体的温度没有特别限制，但比吹入位置的炉内气体温度低时，则反而会冷却炉内，因此优选为比吹入位置的炉内气体温度更高的温度，通常为500℃以上、优选为800℃以上是理想的。

预热气体的吹入量也没有特别限制，通常可以使炉顶气体温度维持在100℃以上的气体吹入量即可。

炉高方向上的气体吹入部A的设置位置（预热气体的吹入位置）优选为炉身中部~上部，特别是将炉口半径设为R₀、将距离料线的深度为R₀的位置设为p₁、将距离炉身部下端的高度为炉身部总高的1/3的位置设为p₂时，在炉高方向上、在位置p₁与位置p₂之间设置气体吹入部A，并由该气体吹入部A吹入预热气体是优选的。若预热气体的吹入位置过浅（过于上方位置），则原料充填层的荷重小，因而产生原料的流动化或搅拌，有可能导致原料落下的稳定性降低。另一方面，若预热气体的吹入位置过深（过于下方位置），则有可能达到炉内的软熔带，故不优选。

炉周方向上的气体吹入部A的设置数目、设置方式没有特别限定，但优选在炉周方向上以等间隔在多处进行设置。特别是，至少在炉周方向上以等间隔设置n处（其中，n为4以上的偶数），并对应于预热气体的吹入总量，从前述n处气体吹入部A之中、在炉周方向上以等间隔选择进行预热气体吹入的气体吹入部A是优选的。此时，气体吹入部A的等间隔的设置数目为4，8，16，32，64等。应予说明，实际的设备中，由于与炉体冷却结构等的关系，有时难以在炉周方向上严格以等间隔设置气体吹入部A，因此允许设置位置的一些偏差。

本发明是优选使用低发热量且可从极近位置导入的高炉气体来作为气体燃烧・吹入装置a的燃料气体的实施方式，其中，将从炉顶部排出的高炉气体的一部分自适当的流路位置取出而用作燃料气体，在能量的有效利用（可直接利用气体显热）方面、以及设备方面也可称为特别优选的实施方式。其中，可以使用高炉气体以外的气体来作为燃料气体，另外，也可以将高炉气体与其以外的气体混合使用。另外，作为高炉气体，还可以使用从气体清洁装置（集尘器22，湿气分离器23）的下游侧取出的高炉气体、从炉顶部与气体清洁装置之间取出的高炉气体、储藏于储气瓶中的高炉气体等。

［实施例］

［实施例1］

使用图8所示结构的燃烧器试验装置，在表3所示条件下，进行使用了添加有氢的燃料气体（低发热量气体）和助燃气体（空气）的燃烧试验。该试验装置的燃烧室为内径：50mm、总长：300mm，在其内壁面上形成的燃料气体吹入用的开口（喷嘴狭缝）的长度：48mm、宽度：5mm，同样地，助燃气体吹入用的开口（喷嘴狭缝）的长度：31mm、宽度：5mm。

发明例1~4中，作为燃料气体，调整约300kcal/Nm³的低发热量气体（CO：10.1vol%、CO₂：10.4vol%、N₂：79.5vol%），并向该燃料气体中添加氢，以使在燃料气体中的浓度分别为3.7vol%、4.0vol%、6.0vol%、2.0%，进行燃烧试验。另外，发明例5，6中，使用相当于RAR412kg/t的操作中的高炉气体来作为燃料气体，并向其中添加氢而进行燃烧试验。另外，实施例7，8中，使用相当于RAR450kg/t的操作中的高炉气体来作为燃料气体，并向其中添加氢而进行燃烧试验。各情形均相对于混合了氢的燃料气体：30Nm³/h而以使理论氧量为1.1的方式来供给空气。另外，作为比较例，还使用未混合氢的燃料气体进行了燃烧试验。

该燃烧试验中，按照下述基准评价燃烧稳定性。

○：没有火焰的波动、且追随压力变化而稳定燃烧（优）

△：火焰发生波动，但未见火焰失控（良）

×：火焰发生波动，因压力变化而发生火焰失控（不能接受）

将其结果与试验条件一起示于表2。根据表2，发明例均实现了稳定的燃烧，特别是添加了氢以使绝热火焰温度为750℃以上时，实现了非常稳定的燃烧。

[表3]

［实施例2］

使用构成燃料气体用的气体喷嘴与助燃气体用的气体喷嘴的喷嘴管的根数不同的燃烧器的试验装置，在表4所示条件下，使用燃料气体（氢混合燃料气体）和助燃气体（空气）进行了燃烧试验。这里，各气体喷嘴由1根（单一）喷嘴管构成的燃烧器是指具有如图13和图14的实施方式所示结构的气体喷嘴的燃烧器，各气体喷嘴由多根喷嘴管构成的燃烧器是指具有如图16~图19的实施方式所示结构的气体喷嘴的燃烧器。

各燃烧器的燃烧室的内径：50mm、总长：700mm，分别构成燃料气体用的气体喷嘴与助燃气体用的气体喷嘴的喷嘴管的根数为，试验例1：5根、试验例2：4根、试验例3：2根、试验例4：1根、试验例5：4根、试验例6：2根。

试验例1~4中使用的燃烧器中，构成燃料气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为10mm，相同地，构成助燃气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为10mm。试验例5中使用的燃烧器中，构成燃料气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为6mm，相同地，构成助燃气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为6mm。试验例6中使用的燃烧器中，构成燃料气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为10mm，相同地，构成助燃气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为10mm。

用作燃料气体的高炉气体（混合了氢的高炉气体）的气体组成为CO：22vol%、CO₂：21vol%、H₂：5vol%、N₂：52vol%，发热量为792kcal/Nm³。相对于该燃料气体：30Nm³/h，以使理论氧量为1的方式供给作为助燃气体的空气：19.5Nm³/h。应用的试验炉的炉内压为245kPa。

试验例6中，使用在燃烧器轴方向上距离燃料气体・助燃气体的吹入位置中心500mm的位置设置了稀释气体用的气体喷嘴（内径20mm）的燃烧器，供给稀释气体（高炉气体）33.8Nm³/h，以使从燃烧室排出的燃烧排气温度为800℃。通过该稀释气体的添加，燃烧气体组成变为含有CO（还原气体）10.3vol%。

试验例1~6中，进行燃烧室内的观察（由图8所示的观察窗进行观察）与燃烧排气的气体组成分析，按照下述基准评价燃烧状况。将其结果与气体喷嘴的构成、气体流量、旋流数Sw、燃烧气体组成（试验例6中为添加稀释气体后的气体组成）等一起示于表3。

×：燃烧状况中可见波动、测定到相当量的未燃CO。

○：稳定的燃烧继续、也基本未测定到未燃CO（其中，试验例6的CO浓度是混合稀释气体所致的）

[表4]

［实施例3］

炉内容积5000m³的高炉中，使用如图13和图14所示的气体燃烧・吹入装置a，以如图20所示的实施方式来实施本发明。操作条件设定为，微粉炭吹入量：130kg/t、焦炭比：320kg/t、风温度：1150℃（湿气：10g/Nm³），使用高反应性焦炭。将从炉顶气体发电装置24的下游侧取出的高炉气体（CO：17.7vol%、CO₂：23.1vol%、H₂：2.4vol%、H₂O：3.6vol%、N₂：53.2vol%）用升压机25a升压至比炉内压高0.2atm的压力，并作为燃料气体导入构成气体吹入部A的气体燃烧・吹入装置a中。此时，相对于高炉气体添加氢、以使氢浓度为4.0vol%，制为氢混合燃料气体。另外，将空气用升压机25b升压、并作为助燃气体导入至气体燃烧・吹入装置a中。

在气体燃烧・吹入装置a中，使氢混合燃料气体100Nm³/t以空气37.8Nm³/t进行燃烧而生成800℃的燃烧气体，将其作为预热气体吹入炉内。气体燃烧・吹入装置a中的氧比为0.736（相对于理论氧量）、预热气体的组成为CO：3.5vol%、CO₂：27.3vol%、H₂：0.8vol%、H₂O：5.0vol%、N₂：63.3vol%。通过吹入这样的预热气体，炉顶气体温度变为149℃，高炉操作中水分在配管内的冷凝也得到完全避免，可以进行稳定的操作。未吹入预热气体时，由热质平衡的计算算出为97℃。

［实施例4］

炉内容积5000m³的高炉中，使用如图16~图19所示的气体燃烧・吹入装置a，以如图20所示的实施方式来实施本发明。高炉操作条件设定为与实施例3相同。将从炉顶气体发电装置24的下游侧取出的高炉气体（CO：17.7vol%、CO₂：23.1vol%、H₂：2.4vol%、H₂O：3.6vol%、N₂：53.2vol%）用升压机25a升压至比炉内压高0.2atm的压力，并作为燃料气体导入构成气体吹入部A的气体燃烧・吹入装置a中。此时，相对于高炉气体添加氢，以使氢浓度为4.0vol%，制为氢混合高炉气体。另外，将空气用升压机25b升压，并作为助燃气体导入至气体燃烧・吹入装置a中。

气体燃烧・吹入装置a中，使氢混合高炉气体73.6Nm³/t以空气37.8Nm³/t（氧比1.0）进行燃烧，同时向燃烧室内供给稀释气体（BFG）26.4Nm³/t，由此生成800℃的燃烧气体，并将其作为预热气体吹入炉内。预热气体的组成与实施例3相同。通过吹入这样的预热气体，炉顶气体温度变为147℃，高炉操作中水分在配管内的冷凝也得到完全避免，可以进行稳定的操作。未吹入预热气体时，由热质平衡的计算算出为97℃。

［实施方式3］

图23和图24表示本发明中使用的燃烧器（管状火焰燃烧器）的一实施方式，图23为部分欠缺的平面图、图24为沿图1中II−II线的剖面图。

图中，1为前端开放的管状（圆筒状）的燃烧室、3a为燃料气体用的气体喷嘴、3b为助燃气体用的气体喷嘴。

前述燃烧室1的内部（后端侧）的内壁面100上形成有用于分别吹入燃料气体与助燃气体、以在燃烧室内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流）的开口2a，2b（喷嘴口），这些开口2a，2b分别连接有前述气体喷嘴3a，3b。前述开口2a，2b（喷嘴口）形成为在偏离燃烧室1的轴芯的方向（偏芯方向）上吹入气体，以使吹入燃烧室1内的气体形成涡流。本实施方式的开口2a，2b形成为在内壁面100的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体。

前述开口2a，2b形成为沿管轴方向的狭缝状，并在内壁面100（内周面）上设置于180°对向的位置。上述开口2a与开口2b可各自设置多个，此时，相对于各开口2a，2b，连接有气体喷嘴3a，3b。

气体喷嘴3a的气体导入部设置有用于混合高炉气体与氢的混合室4，该混合室4连接有高炉气体供给管5与氢供给管6。另一方面，气体喷嘴3b的气体导入部连接有助燃气体供给管7。

在其它图中，8~10分别为设置于高炉气体供给管5、氢供给管6和助燃气体供给管7上的流量调节阀、11为设置于氢供给管6上的流量计、12为用于检测燃烧室1内的燃烧状况的燃烧状况检测装置、13为火花塞。前述燃烧状况检测装置12可以为例如在火焰中插入热电偶等来测量温度的方式、使用Ultra Vision等检测火焰中的紫外线的光学方式等。另外，x为设置有燃烧器的炉体。

这里，可以从开口2a，2b（喷嘴口）分别吹入燃料气体与助燃气体，以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流），特别优选设定来自开口2a，2b的气体的吹入方向，以使气体涡流达到如后述的优选旋流数Sw（在伴随旋转的流体的流动中表示旋转的强度的无因次数）的范围。图31模式地表示形成了开口2a，2b的位置处的燃烧室内部的直径方向剖面。在上述燃烧室1的直径方向剖面中，在内壁面100的周方向上的开口2a，2b的端部中，以从开口2a，2b排出并旋转的气流的旋转（回旋）方向上的前端侧的端部为点p，以该点p上的内壁面100的切线为x，以从开口2a，2b排出的气流的中心线（＝气体喷嘴3a，3b的轴芯）为y，以切线x与气流中心线y所成的角度为气体吹入角度θ时，优选设定该气体吹入角度θ以达到优选的旋流数Sw的范围（Sw：3~10）。即，以由气体喷嘴3a的内径算出的开口2a处的燃料气体速度为Vf，以由气体喷嘴3b的内径算出的开口2b处的助燃气体速度为Va时，切线x方向上的燃料气体速度分量Vf1与助燃气体速度分量Va1则为如下：

Vf1＝Vf×cosθ

Va1＝Va×cosθ

而且，优选确定气体吹入角度θ，以使将该Vf1、Va1作为开口2a，2b处的气体速度而算出的旋流数Sw达到规定的优选范围。旋流数Sw的求法如后所述。

另一方面，从燃烧器的结构方面来说，燃烧器优选为在燃烧室1的内壁面100上形成了用于在该内壁面的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体的开口2a，2b的结构。这是因为只要形成上述结构，则不管气体量或气体速度的改变、变化，均可实现优选的旋流数Sw。具体地，理想的是使图32所示气体吹入角度θ为30°以下、更优选为10°以下。该气体吹入角度θ变大则有可能因气体量或气体速度而无法适当地形成沿内壁面100的气体涡流。本实施方式、后述图25的实施方式、图26~图29的实施方式均是气体吹入角度θ≈0°~5°左右。

本发明在如上所述的管状火焰燃烧器中，使用高炉气体作为燃料气体时，为了使其稳定燃烧而在高炉气体中添加氢。该氢可以作为纯氢气体添加，也可以作为含氢气体添加（以下，本说明书中提及“（在高炉气体中添加的）氢”时，则意指包含“含氢气体”）。不言而喻地，该含氢气体的氢浓度需要高于高炉气体的氢浓度（通常，H₂浓度：2~3vol%）。除该点以外，对含氢气体的氢浓度没有特别限制，但通常优选使用氢浓度在20vol%以上的含氢气体。钢铁制造工艺中产生的气体中，例如，制造焦炭时所得的焦炭炉气体的氢浓度特别高（通常，55vol%左右），适宜作为含氢气体。

为了向高炉气体中添加氢，在图23和图24所示燃烧器中，高炉气体与氢通过高炉气体供给管5与氢供给管6而被供给至气体喷嘴3a的混合室4，在这里，氢被混合至高炉气体中，该氢混合高炉气体（混合了氢的高炉气体，以下相同）进入喷嘴主体中。另一方面，助燃气体通过助燃气体供给管7而被供给至气体喷嘴3b。这样，供给至气体喷嘴3a，3b的氢混合高炉气体与助燃气体被从开口2a，2b（喷嘴口）吹入燃烧室1内。该氢混合高炉气体与助燃气体一边沿着燃烧室1的内壁面100形成涡流一边燃烧、形成火焰。应予说明，如上述的燃烧通过利用火花塞13点火而开始，燃烧继续进行时，在该时刻结束利用火花塞13的点火。

由于高炉气体的发热量发生变化，例如，变为更低发热量，使得通过燃烧状况检测装置12检测的燃烧状况不稳定时，通过设置于氢供给管6的流量计11与流量调节阀9来增加氢的供给量。

应予说明，该燃烧器可以使用将高炉气体与助燃气体预先混合得到的气体（预混合气体），该情形中，在燃烧室1的内壁面100上形成有用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体，以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流）的1个以上的开口2（喷嘴口），该开口2连接有预混合气体供给用的气体喷嘴3。前述开口2与图23和图24的开口2a，2b相同，形成为在偏离燃烧室1的轴芯的方向（偏芯方向）上吹入气体，以使吹入燃烧室1内的气体形成涡流，特别优选形成为在内壁面100的大致切线方向上吹入气体（预混合气体）。而且，氢被添加至与助燃气体预混合之前的高炉气体或预混合气体中，如此添加了氢的预混合气体通过气体喷嘴3而从开口2被吹入燃烧室1内。应予说明，也可以从该开口2吹入气体，以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流），气体吹入方向的优选设定方法、作为燃烧器结构的优选气体吹入角度θ与之前基于图31说明的开口2a，2b相同。

在如上所述的燃烧器中，从气体喷嘴3a，3b和开口2a，2b吹入燃烧室1内并形成涡流的氢混合高炉气体与助燃气体（或两者的预混合气体）因气体的密度差而分层、可在火焰的两侧形成密度不同的气体层。即，高温的燃烧排气存在于旋转速度小的轴心侧，而未燃烧的气体存在于旋转速度大的内壁面100侧。另外，在内壁面100附近，旋转速度高于火焰传播速度，因此火焰无法停留于内壁面附近。因此，管状的火焰稳定地在燃烧室1内生成。另外，由于未燃烧的气体存在于燃烧室1的内壁面附近，故燃烧室1的内壁面不会因直接的传热而被加热至高温。而且，燃烧室1内的气体一边旋转一边流向前端侧，该过程中，内壁面100侧的气体依次燃烧并向轴心侧移动，燃烧气体被从开放的前端排出。

氢的燃烧速度与CO等其它可燃性气体相比极为快速，因此通过添加氢可以使高炉气体稳定地进行燃烧。这里，气体的燃烧速度（MCP：maximum　combustion　potential）由其组成确定，通过下式算出。

[数7]

其中 Si：气体中的各可燃性气体的燃烧速度、为下表所揭示的值

fi：气体中的各可燃性气体所涉及的系数、为下表所揭示的值

Ai：气体中的各可燃性气体的含有率（体积百分率）

K：衰减系数

αi：气体中的各可燃性气体的修正系数、为下表所揭示的值

CO₂：气体中的二氧化碳的含有率（体积百分率）

N₂：气体中的氮的含有率（体积百分率）

O₂：气体中的氧的含有率（体积百分率）

[表5]

表5

由上式计算的MCP中，氢为282，CO为100，氢为CO的2.8倍，燃烧速度快。因此，通过添加氢可以使高炉气体稳定燃烧。为了继续高炉气体的燃烧，理论上，只要高炉气体的绝热火焰温度是该高炉气体所含的气体种类的燃点以上（CO燃点：609℃、H₂燃点：500℃）的温度，或者高炉气体中所含的可燃性气体的浓度在爆炸下限浓度以上（CO爆炸下限浓度：12.5vol%、H₂：4vol%）即可。然而，本发明人的研究表明，对于如高炉气体等含CO的低发热量气体来说，添加氢后的绝热火焰温度为750℃以上时，则可以进行稳定的燃烧。例如，对CO为18.2vol%、CO₂为26.9vol%、H₂为2.1vol%、（剩余部分为N₂）的高炉气体来说，发热量为612kcal/Nm³、绝热火焰温度为746℃（空气比0.7），该状态下则无法稳定地继续燃烧，而需要其它用于助燃的导燃器。通过向该气体中添加氢、使H₂：4.2vol%，可以使绝热火焰温度变为784℃，而继续稳定的燃烧。绝热火焰温度是假设燃烧产生的热不流失至外部、并用于燃烧气体的升温而理论地计算得到的温度。

因此，高炉气体中，优选添加氢以使绝热火焰温度为750℃以上。另一方面，氢的添加量越多则燃烧的稳定性越是因此而提高，但氢添加量过多则有损经济性。

另外，本发明的燃烧方法中，若使燃烧室1为加压状态，则气体密度增加、表观发热量增加，因而即便是高炉气体也可以进行更稳定的燃烧。

本发明中，可以使用空气等含氧气体、氧气来作为助燃气体，但本发明在使用空气作为助燃气体时特别有用。助燃气体的供给量为维持稳定燃烧状态所需的量。使用空气作为助燃气体时，通常，以空气比为1以上的方式进行供给。空气比是指燃料的燃烧所需的理论空气量与实际供给的空气量之比（实际空气量/理论空气量），空气比为1则燃料气体完全燃烧、变成CO₂和H₂O。空气比小于1的条件下则为不完全燃烧，稳定燃烧无法继续。另外，空气比过量时则为稀薄燃烧，此时也不能维持稳定的燃烧状态。因此，通常优选在空气比为1.0~1.5的范围供给助燃气体。

燃料气体与助燃气体从喷嘴（开口）喷出的速度没有特别限制，优选两者为相同水平的速度。

图23和图24的实施方式中，虽然使向吹入燃烧室1之前的高炉气体中添加氢，但也可以向吹入燃烧室1后的高炉气体中添加氢（即，在燃烧室1内向高炉气体添加氢）。图25是表示该情形中使用的燃烧器的一实施方式的剖面图（沿与图24相同的剖面线的剖面图）。该燃烧器在燃烧室1的内部（后端侧）的内壁面100上形成有与图24相同的开口2a，2b，同时在内壁面100的周方向上、在开口2a−开口2b之间的中央位置（即，在周方向上相对于开口2a，2b为90°的位置）上，形成有用于吹入氢（氢气或含氢气体，以下相同）以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流）的开口2c₁，2c₂（喷嘴口），该开口2c₁，2c₂分别连接有氢用的气体喷嘴3c₁，3c₂。与开口2a，2b相同，前述开口2c₁，2c₂（喷嘴口）也形成为在偏离燃烧室1的轴芯的方向（偏芯方向）吹入气体（氢），以使吹入燃烧室1内的气体形成涡流。本实施方式的开口2c₁，2c₂形成为在内壁面100的大致切线方向上吹入氢。

与前述开口2a，2b相同，前述开口2c₁，2c₂形成为沿管轴方向的狭缝状。应予说明，该开口2c₁，2c₂可以仅设置任一者，另外，也可以设置3个以上，此时，相对于各开口2c，连接有气体喷嘴3c。

应予说明，可以从该开口2c₁，2c₂吹入气体（氢），以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流），气体吹入方向的优选设定方法、作为燃烧器结构的优选气体吹入角度θ与之前基于图10说明的开口2a，2b相同。

这种燃烧器中，通过气体喷嘴3c而将氢从开口2c₁，2c₂吹入燃烧室1内，从而在燃烧室1内将氢添加至高炉气体中。

图25的实施方式的燃烧器的其它结构、功能与图23和图24所示实施方式的燃烧器相同，因而省略详细说明。应予说明，与图23和图24所示实施方式的燃烧器相同，可以使用将高炉气体与助燃气体预混合而得的气体（预混合气体），该情形中，如前所述，代替上述开口2a，2b而形成有用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体的1个以上的开口2（喷嘴口），该开口2连接有预混合气体供给用的气体喷嘴3。

本发明中，添加了氢的高炉气体与助燃气体在燃烧器的燃烧室1内形成涡流，从而可以使高炉气体稳定燃烧，特别是，高炉气体为以CO、CO₂、N₂为主体的气体，氢与这些气体成分相比气体密度低，因而，如图25的实施方式那样吹入氢以形成涡流时，其密度差导致氢向轴心侧移动而优先燃烧、而变得促进其它气体的燃烧。因此，可以进一步提高高炉气体的燃烧性。

图26~图29表示本发明中使用的燃烧器（管状火焰燃烧器）的其它实施方式，图26为燃烧器的部分欠缺的平面图、图27为部分地表示燃烧器的底面图、图28为沿图26中VI−VI线的剖面图、图29为沿图26中VII−VII线的剖面图。

图26~图29的实施方式中，燃料气体用的气体喷嘴3a与助燃气体用的气体喷嘴3b分别由在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管300a，300b构成。如此用多个喷嘴管300a，300b来构成气体喷嘴3a，3b，是为了如后所述通过气体喷嘴3a，3b而在燃烧室1内形成适当的涡流、同时使旋流数Sw在规定的优选范围的缘故。

与图23和图24的实施方式相同，在前述燃烧室1的内部（后端侧）的内壁面100上，形成有用于分别吹入燃料气体与助燃气体以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流）的开口2a，2b（喷嘴口），这些开口2a，2b也分别由多个开口200a，200b来构成。而且，各开口200a分别连接有前述喷嘴管300a，各开口200b分别连接有前述喷嘴管300b。前述开口200a，200b形成为在偏离燃烧室1的轴芯的方向（偏芯方向）上吹入气体、以使吹入燃烧室1内的气体形成涡流。本实施方式的开口200a，200b形成为在内壁面100的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体。

另外，在较前述气体喷嘴3a，3b（开口2a，2b）更靠燃烧室前端的位置，设置有用于向燃烧室1内供给对燃烧气体进行稀释并调整其温度和/或组成的稀释气体的气体喷嘴14。该气体喷嘴14由于是供给对燃烧气体进行稀释的气体，因而只要设置于不妨碍燃烧室1内的气体燃烧的位置即可，而对燃烧室长度方向上的设置（连接）位置没有特别限制，本实施方式中，可设置于较燃烧室长度方向的中央位置更靠燃烧室前端的位置。

气体喷嘴14可以由单一的喷嘴管构成，但本实施方式中，由在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管140来构成。设置有气体喷嘴14的位置的燃烧室1的内壁面100上，形成有用于在相同内壁面的大致切线方向上吹入稀释气体、以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流）的开口15（喷嘴口），该开口15连接有前述气体喷嘴14。本实施方式中，开口15由多个开口150构成，各开口150分别连接有前述喷嘴管140，也可以使开口15为沿管轴方向的狭缝状的单一开口，并使之与单一的气体喷嘴14连接。应予说明，该稀释气体用的开口15不一定形成为吹入气体以在燃烧室1内产生气体涡流的结构。

图26~图29的实施方式的燃烧器的其它结构、功能与图23和图24所示实施方式的燃烧器相同，因而省略详细说明。

另外，也可以从前述开口200a，200b吹入气体、以在燃烧室1内产生气体涡流（沿内壁面100的周方向的气体涡流），但气体的吹入方向的优选设定方法、作为燃烧器结构的优选气体吹入角度θ与之前基于图32说明的开口2a，2b相同。

本发明中使用的燃烧器中，在燃烧室1内产生高温的燃烧气体，例如，高炉气体的理论燃烧温度在空气比为1.0的条件下为约1300℃。将本发明应用于如后所述的高炉操作方法、将燃烧器的燃烧气体作为预热气体吹入高炉内时，优选对燃烧气体进行稀释并控制其温度或组成，以使炉内的焦炭不被吹入的燃烧气体中的CO₂所消耗、或者在炉内还原的铁矿石（磁铁矿）不被再氧化。本实施方式中，为了上述目的而从气体喷嘴14向燃烧室1内供给用于调整燃烧气体的温度和/或组成的稀释气体。

所使用的稀释气体的种类可以对应于添加至燃烧气体中的目的（气体温度调整和/或气体组成调整）而适宜选择，但从调整燃烧气体的组成方面出发，优选含CO、H₂等还原气体的稀释气体。可以使用例如高炉气体、转炉气体、焦炭炉气体等的1种以上，特别优选取出高炉气体的一部分来作为稀释气体使用。

另外，将燃烧器的燃烧气体作为预热气体吹入高炉内时，如后所述，理想的是预热气体的温度为500℃以上、优选为800℃以上，故优选对稀释气体的温度和供给量进行选择以达到上述预热气体温度。

应予说明，对于具有用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴的燃烧器、或具有如图3的实施方式的氢吹入用的气体喷嘴3c的燃烧器，也可以用在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管来构成这些气体喷嘴。另外，这些燃烧器中，也可以设置如上述的稀释气体用的气体喷嘴14与开口15。

本发明的高炉气体的燃烧方法中，优选使燃烧室1内的气流的旋流数Sw为3~10的范围。旋流数是在伴随旋转的流体的流动中表示旋转的强度的无因次数，旋流数越大则越是旋转强的流动。旋流数过小则燃料气体与助燃气体的混合变得不充分，燃料气体的点火变得不稳定，另一方面，过大则燃烧火焰有时会被吹灭。从以上的观点出发，旋流数Sw优选为3~10的范围。

旋流数Sw可以按照用于算出其的公知的基本式子，通过对应于所使用的燃烧器的形式或其使用方式的式子算出，例如，在使用如图23和图24的实施方式那样的、具有燃料气体吹入用的开口2a与助燃气体吹入用的开口2b的燃烧器时，旋流数Sw可通过下式求出。应予说明，下式中，燃料气体是指氢混合高炉气体。

[数8]

其中 Rb: 燃烧室半径(m)

Ab: 燃烧室剖面积(m²)

ρa: 助燃气体密度(kg/m³)

ρf: 燃料气体密度(kg/m³)

Va: 开口(喷嘴口)处的助燃气体速度(m/s)

Vf: 开口(喷嘴口)处的燃料气体速度(m/s)

Qa: 助燃气体实际流量(m³/s)

Qf: 燃料气体实际流量(m³/s)

另外，使用具有用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体的开口的燃烧器时，旋流数Sw可通过下式求出。应予说明，下式中预混合气体是指“燃料气体（高炉气体）＋氢＋助燃气体”。

[数9]

其中 Rb: 燃烧室半径(m)

Ab: 燃烧室剖面积(m²)

ρm: 预混合气体密度(kg/m³)

Vm: 开口(喷嘴口)处的预混合气体速度(m/s)

Qm: 预混合气体实际流量(m³/s)

进而，在使用如图25的实施方式那样的、除了燃料气体吹入用的开口2a与助燃气体吹入用的开口2b之外还具有氢吹入用的开口2c的燃烧器时，旋流数Sw可通过下式求出。

[数10]

其中 Rb: 燃烧室半径(m)

Ab: 燃烧室剖面积(m²)

ρa: 助燃气体密度(kg/m³)

ρf: 燃料气体密度(kg/m³)

ρh: 氢(氢气或含氢气体)密度(kg/m³)

Va: 开口(喷嘴口)处的助燃气体速度(m/s)

Vf: 开口(喷嘴口)处的燃料气体速度(m/s)

Vh: 开口(喷嘴口)处的氢(氢气或含氢气体)流速(m/s)

Qa: 助燃气体实际流量(m³/s)

Qf: 燃料气体实际流量(m³/s)

Qh: 氢(氢气或含氢气体)实际流量(m³/s)

在使旋流数Sw为如上述的优选范围时，优选如图26~图29的实施方式那样，分别用在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管300a，300b来构成燃料气体用的气体喷嘴3a与助燃气体用的气体喷嘴3b。这是因为下述原因。例如，在燃烧室内径：50mm、高炉气体量：30Nm³/h（气体密度：1.34kg/Nm³）、空气量：21.4Nm³/h（气体密度：1.29kg/Nm³）、空气比：1.1、炉内压：245kPa（如后述高炉操作方法那样将燃烧器作为气体燃烧・吹入装置a而设置于高炉时的炉内压）的条件的情形，气体喷嘴3a，3b分别由单一（1根）喷嘴管构成时，对于使旋流数Sw为3的喷嘴管的内径（换算为圆的内径。即、将喷嘴管内部的剖面积换算为圆的面积时的该圆的直径。以下，提及“喷嘴管的内径”时，表示相同含义），气体喷嘴3a为21mm（开口2a处的燃料气体速度：7m/s）、气体喷嘴3b为21mm（开口2b处的助燃气体速度：5m/s）。但是，像这样用单一的喷嘴管来构成气体喷嘴3a，3b时，在图23的II−II线剖面中，喷嘴管的内径变为燃烧室内径的约4/10，燃料气体和助燃气体在燃烧室中心方向（轴心）上的流量均增加，变得难以形成良好的涡流。因此，存在于轴心侧的高温燃烧排气有可能被冷却，本发明的效果有可能降低。图32模式地表示形成有开口2a，2b的位置处的燃烧室内部的直径方向剖面，将燃烧室1的半径作为R、将燃烧室直径方向上的气体喷嘴3a，3b的内部宽度或实际内径作为t时，从开口2a，2b吹入的气流的中心位置（＝气体喷嘴3a，3b的轴芯）则位于距离燃烧室1的中心（R−t/2）的位置。这里，若t相对于R变大，则在燃烧室中心方向（轴心）上的流量增加而变得难以形成良好的涡流，且管状火焰会形成于偏离管壁的位置，燃烧容易变得不稳定。从这样的观点出发，优选（R−t/2）/R≥0.8，但上述例子在该优选的条件之外。

与此相对，用在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管300a，300b来构成气体喷嘴3a，3b时，由于每1根喷嘴管的内径变小，故难以发生如上述的问题，可以使旋流数Sw在优选的范围，同时产生良好的涡流。因此，燃料气体用的气体喷嘴3a与助燃气体用的气体喷嘴3b优选分别用在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管300a，300b来构成。基于相同的理由，对于具有用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴的燃烧器、或具有如图3的实施方式的氢气体吹入用的气体喷嘴3c的燃烧器，也优选用在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管来构成这些气体喷嘴。

接着，对应用了利用上述燃烧器的高炉气体的燃烧方法的高炉操作方法进行说明。

本发明的高炉操作方法以将空气或富氧空气进行风口送风的高炉操作、即普通高炉的操作作为对象。将富氧空气进行风口送风时，通常，在富氧率为20体积%以下、优选为10体积%以下的条件下进行操作。应予说明，随着富氧率增加，通过炉内的气体量会减少，将炉身上部升温所需的吹入气体量会大幅增加，因此从该点出发，也优选在上述富氧率条件下的操作。

图30是模式地表示本发明的高炉操作方法的一实施方式的说明图。图中，20为高炉，21为其风口，从该风口21向炉内吹入热风与辅助还原材料（例如，微粉炭、LNG等）。

从高炉20的炉顶部排出的高炉气体（炉顶气体）通过作为气体清洁装置的集尘器22除去灰尘，同样地通过湿气分离器23除去水分后，被导入炉顶气体发电装置24，将炉顶气体的压力作为电力回收后，导出体系外。

本发明中，从设于炉身部（优选炉身中部~上部）的气体吹入部A向高炉内吹入气体。如此向炉内吹入气体的主要目的是为了对低RAR操作所致的送风量的降低进行补充，确保炉上部处的气体流量，但由于无用地吹入使炉顶气体温度降低的温度的气体与发明的主旨相悖，故使用预热气体作为吹入气体。

如此从气体吹入部A向高炉内吹入预热气体时，本发明中，由使如前所述的燃烧器（例如、图23和图24的燃烧器、图25的燃烧器、图26~图29的燃烧器中的任一者）的燃烧室的前端与高炉内部连通而得到的气体燃烧・吹入装置a来构成气体吹入部A，并将该气体燃烧・吹入装置a的燃烧气体作为预热气体吹入高炉内。即，图23或图26中，x为高炉20的炉体，以使燃烧室1的前端与高炉内部连通的方式而将燃烧器安装于炉体x，以构成气体燃烧・吹入装置a。

这种气体燃烧・吹入装置a的基本结构已知为管状火焰燃烧器。但是，该管状火焰燃烧器是作为加热炉或燃烧机器用而被开发、使用的，对于在高炉的气体吹入机构中应用则完全没有研究过。另外，近年来的高炉操作在高压条件下进行，预热气体要求升压至比吹入位置的炉内压更高的压力再吹入，而管状火焰燃烧器却是以常压状态下的使用为前提，对在如上所述压力条件下使用则完全没有研究过。与此相对，本发明中发现作为使高炉气体燃烧而进行预热、并将其从高炉的炉身部吹入炉内的机构，管状火焰燃烧器类型的气体燃烧・吹入装置a具有非常优异的功能。另外，还发现将高炉气体作为燃料气体使用时，通过如前所述向高炉气体中添加氢，可以进行稳定的燃烧。

图30的实施方式中，将从炉顶部排出、然后经由气体清洁装置（集尘器22和湿气分离器23）、炉顶气体发电装置24的高炉气体的一部分取出，并用升压机25a升压，然后作为燃料气体导入构成气体吹入部A的气体燃烧・吹入装置a中。将氢混合至高炉气体中时，将氢直接导入高炉气体的配管内、或者使用未图示的混合机将氢混合至高炉气体中，制为氢混合高炉气体。从高炉20的炉顶部排出的高炉气体的流路27中，自炉顶气体发电装置24的下游侧的流路部分分支有用于将高炉气体的一部分供给至气体燃烧・吹入装置a的流路28。

另外，作为含氧气体（空气、富氧空气、高氧浓度气体等）的助燃气体被供给至气体燃烧・吹入装置a中，该助燃气体也是用升压机25b升压后再导入气体燃烧・吹入装置a中。应予说明，气体燃烧・吹入装置a中使用高炉气体与助燃气体的预混合气体时，可以事先用升压机25a，25b将高炉气体与助燃气体分别升压，也可以用单一的升压机25将预混合气体升压。此时，向与助燃气体预混合之前的高炉气体中导入氢（或用混合机混合氢），或者向预混合气体中导入氢（或用混合机混合氢）。

另外，图25所示燃烧器的情形中，氢用升压机升压后，与高炉气体分别导入气体燃烧・吹入装置a中，并吹入其燃烧室。

另外，图26~图29所示燃烧器的情形中，为了对燃烧气体进行稀释并控制其温度或组成、以使焦炭不被吹入高炉内的燃烧气体中的CO₂所消耗、或在炉内还原的铁矿石（磁铁矿）不被再氧化，而从气体喷嘴14将稀释气体供给至燃烧室1内。如前所述，作为稀释气体，优选含有CO、H₂等还原气体的稀释气体，可以使用例如高炉气体、转炉气体、焦炭炉气体等的1种以上，其中，优选取出高炉气体的一部分来作为稀释气体使用。另外，理想的是预热气体的温度为500℃以上、优选为800℃以上，故优选对稀释气体的温度与供给量进行选择，以达到上述预热气体温度。

接着，将本发明中通过使用管状火焰燃烧器类型的气体燃烧・吹入装置a、并且向作为燃料气体的高炉气体（特别是使用在低还原材料比操作下产生的高炉气体时）中添加氢而获得的效果与使用以外其它类型的气体燃烧器的情形进行比较说明。

以往，在工业上使用的气体燃烧器多数是在燃烧器前端的更前方形成火焰的结构。因此，使用这类气体燃烧器作为气体燃烧・吹入装置a时，火焰与从高炉上部落下的装入物（铁矿石、焦炭）直接接触，而发生焦炭的溶损反应，产生焦炭无用地被消耗等的问题。

另外，进行纯氧送风的氧高炉工艺的炉顶气体是氮少而CO为主体的气体，因此发热量高（例如，约1200kcal/Nm³）。因此即便是在如上述以往的一般的气体燃烧器中，也可以没有特别问题地用作燃料气体。与此相对，本发明作为对象的普通高炉工艺中产生的高炉气体的发热量低（例如，约800kcal/Nm³），即使应用于如上述以往的一般的气体燃烧器中，也难以稳定燃烧。指向低RAR操作时，高炉气体的发热量进一步降低。例如，以高炉内热质平衡模型来计算时，高炉气体的发热量：（1）在相当于RAR494kg/t的操作（PCR：130kg/t、送风温度：1150℃）中为722kcal/Nm³、（2）在相当于RAR450kg/t的操作（PCR：130kg/t、送风温度：1200℃、使用高反应性焦炭、降低热损失43%、使炉身效率相对于上述（1）的操作提高2%）中为620kcal/Nm³、（3）在相当于RAR412kg/t的操作（PCR：130kg/t、送风温度：1200℃、使用高反应性焦炭、降低热损失57%、使炉身效率相对于上述（1）的操作提高4%）中为517kcal/Nm³。根据上述计算，在上述（2）和（3）的操作中，高炉炉顶气体的温度为110℃以下。因此，例如，将从炉顶部排出的高炉气体的一部分取出、并用氧燃烧得到的预热气体从炉身部吹入炉内、将高炉炉顶气体温度保持于110℃以上时，高炉气体发热量会进一步降低。例如，上述（2）的操作中，吹入800℃的预热气体100Nm³/t时，高炉气体发热量变为590kcal/Nm³，另外，上述（3）的操作中，吹入800℃的预热气体150Nm³/t时，高炉气体发热量变为477kcal/Nm³。这类低RAR操作所致的高炉气体发热量的降低使得利用如上述以往的一般气体燃烧器的稳定燃烧更加困难。

另外，通常的高炉是在4~5kg/cm²的加压下进行操作的同时从高炉上部落下装入物，因而时常发生压力变化。另外，还会因高炉炉壁上附着物的生成而发生漏气等。如上述以往的一般气体燃烧器中，由于上述原因使得火焰的稳定性受到阻害、有可能发生吹灭等。

针对如上述以往一般气体燃烧器的问题，本发明中通过使用管状火焰燃烧器类型的气体燃烧・吹入装置a、并且在用作燃料气体的高炉气体中添加氢来进行稳定燃烧，可以获得如下效果。

（a）气体在燃烧室1内燃烧、燃烧室1的外侧不存在火焰，因此火焰不会与从高炉上部落下的装入物（铁矿石、焦炭）直接接触，对装入物的影响少。另外，同样地，由于燃烧室1的外侧不存在火焰，故不会受到高炉的炉内压或其变化、漏气等的影响，可以形成稳定的火焰，并向炉内稳定地吹入期望温度的燃烧气体。

（b）吹入炉内的预热气体需要具有比吹入位置的炉内压更高的压力，因此，实质上需要在气体燃烧・吹入装置a的燃烧室1内、在加压下进行气体燃烧，通过如此使燃烧室1为加压状态，从而形成有利于特别是使高炉气体稳定燃烧的条件。气体燃烧・吹入装置a中，由于在燃烧室1内形成了稳定的火焰，高炉气体与助燃气体的混合性也良好，因而可以使气体有效且均一地燃烧，特别是，通过如上所述使燃烧室1为加压状态，气体密度会增加，因而相对于标准状态下的发热量，表观发热量增加。因此，燃料气体即便是高炉气体之类的低发热量气体，也可以结合向高炉气体中添加氢而稳定地进行燃烧。

（c）同样地，通过使燃烧室1为加压状态，气体密度会变高，可以将高炉气体所具有的热量有效地转移至燃烧气体。特别是由于在燃烧室1的内壁面100附近存在未燃烧的气体和助燃气体，因而燃烧室1的内壁面100不会因直接的传热而被加热至高温，由于来自管壁的热损失少，因此该效果进一步提高。

（d）从气体吹入部A吹入的预热气体优选不含氧（作为O₂的氧气。以下相同）或氧浓度低。这是因为预热气体中存在氧时，会使在炉内还原的铁氧化物（Fe₃O₄、FeO）被再氧化的缘故。在该点上，气体燃烧・吹入装置a通过在燃烧室1内形成稳定的火焰，可提高氧利用效率，特别是通过使燃烧室1为加压状态，可以进一步提高氧利用效率，使得可以在比理论氧量更少的氧量下进行稳定的燃烧。因此，可以向炉内吹入不含氧或者氧浓度非常低的预热气体。

（e）通过在燃烧室1内形成稳定的火焰，吹入炉内的预热气体（燃烧气体）的温度的波动小，可以使来自炉下部的高炉气体与从炉上部落下的装入物的温度没有波动地上升。

通常，在将高炉气体导入升压机25的流路28中，设置有测定高炉气体的组成、温度和压力等的传感器26_A，另外，在气体吹入部A附近设置有测定炉内压力、温度的传感器26_B，基于这些传感器26_A，26_B的测定值，而对由升压机25a，26b升压的气体压力、加入气体燃烧・吹入装置a中的助燃气体量、氢量等进行控制。

从气体吹入部A吹入预热气体可以不断进行，也可以仅在炉顶气体温度降低时进行。后者的情形中，例如，用传感器测定炉顶气体温度，在炉顶气体温度达到规定温度以下（例如、110℃以下）时，进行从气体吹入部A吹入预热气体。

从气体吹入部A吹入的预热气体的温度没有特别限制，但比吹入位置的炉内气体温度低时，则反而会冷却炉内，因此优选为比吹入位置的炉内气体温度高的温度，通常500℃以上、优选800℃以上是理想的。

预热气体的吹入量也没有特别限制，通常可以是使炉顶气体温度维持在100℃以上的气体吹入量。

炉高方向上的气体吹入部A的设置位置（预热气体的吹入位置）优选为炉身中部~上部，特别是将炉口半径设为R₀、将距离料线的深度为R₀的位置设为p₁、将距离炉身部下端的高度为炉身部总高的1/3的位置设为p₂时，在炉高方向上、在位置p₁与位置p₂之间设置气体吹入部A，并由该气体吹入部A吹入预热气体是优选的。预热气体的吹入位置过浅（过于上方位置），则原料充填层的荷重小，因而产生原料的流动化或搅拌，有可能导致原料落下的稳定性降低。另一方面，预热气体的吹入位置过深（过于下方位置），则有可能达到炉内的软熔带，故不优选。

炉周方向上的气体吹入部A的设置数目、设置方式没有特别限定，但优选在炉周方向上以等间隔在多处进行设置。特别是，至少在炉周方向上以等间隔设置n处（其中，n为4以上的偶数），并对应于预热气体的吹入总量，从前述n处气体吹入部A之中、在炉周方向上以等间隔选择进行预热气体的吹入的气体吹入部A是优选的。此时，气体吹入部A的等间隔的设置数目为4，8，16，32，64等。应予说明，实际的设备中，由于与炉体冷却结构等的关系，有时难以在炉周方向上严格以等间隔设置气体吹入部A，因而允许设置位置的一些偏差。

本发明是使用低发热量且可从极近位置导入的高炉气体作为气体燃烧・吹入装置a的燃料气体的发明，其中，从适当的流路位置取出由炉顶部排出的高炉气体的一部分来作为燃料气体使用，从能量的有效利用（可以直接利用气体显热）方面、以及设备方面来说，均可以说是特别优选的实施方式。另外，作为高炉气体，可以使用从气体清洁装置（集尘器22，湿气分离器23）的下游侧取出的高炉气体、从炉顶部与气体清洁装置之间取出的高炉气体、储藏于储气瓶中的高炉气体等。

［实施例］

［实施例1］

使用图8所示结构的燃烧器的试验装置，在表2所示条件下，使用添加了氢的高炉气体和助燃气体（空气）进行燃烧试验。该试验装置的燃烧室的内径：50mm、总长：300mm，在其内壁面上形成的高炉气体吹入用的开口（喷嘴狭缝）的长度：48mm、宽度：5mm、相同地，助燃气体吹入用的开口（喷嘴狭缝）的长度：31mm、宽度：5mm。

比较例1中，使用相当于RAR443kg/t的操作中的高炉气体来作为燃料气体，比较例2中，使用相当于RAR446kg/t的操作中的高炉气体来作为燃料气体，进行燃烧试验。另一方面，发明例1，3，4中，使用相当于RAR443kg/t的操作中的高炉气体来作为燃料气体，并向其中加入氢来进行燃烧试验。另外，发明例2中，使用相当于RAR446kg/t的操作中的高炉气体来作为燃料气体，并向其中加入氢来进行燃烧试验。均是相对于高炉气体（发明例中为混合了氢的高炉气体）：30Nm³/h而供给空气。

该燃烧试验中，按照下述基准评价燃烧稳定性。

○：没有火焰的波动、且追随压力变化而稳定燃烧（优）

△：火焰发生波动，但未见火焰失控（良）

×：火焰发生波动，因压力变化而发生火焰失控（不能接受）

将其结果与试验条件一起示于表2。根据表2，发明例均实现了稳定的燃烧，特别是添加了氢以使绝热火焰温度为750℃以上时，实现了非常稳定的燃烧。

[表6]

［实施例2］

使用构成燃料气体用的气体喷嘴与助燃气体用的气体喷嘴的喷嘴管的根数不同的燃烧器的试验装置，在表3所示条件下，使用燃料气体（氢混合高炉气体）和助燃气体（空气）进行了燃烧试验。这里，各气体喷嘴由1根（单一）喷嘴管构成的燃烧器是指具有如图23和图24的实施方式所示结构的气体喷嘴的燃烧器，各气体喷嘴由多根喷嘴管构成的燃烧器是指具有如图26~图29的实施方式所示结构的气体喷嘴的燃烧器。

各燃烧器的燃烧室的内径：50mm、总长：700mm，分别构成燃料气体用的气体喷嘴与助燃气体用的气体喷嘴的喷嘴管的根数为，试验例1：5根、试验例2：4根、试验例3：2根、试验例4：1根、试验例5：4根、试验例6：2根。

试验例1~4中使用的燃烧器中，构成燃料气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为10mm，相同地，构成助燃气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为10mm。试验例5中使用的燃烧器中，构成燃料气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为6mm，相同地，构成助燃气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为6mm。试验例6中使用的燃烧器中，构成燃料气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为10mm，相同地，构成助燃气体吹入用的气体喷嘴的喷嘴管的内径为10mm。

用作燃料气体的高炉气体（氢混合高炉气体）的气体组成为CO：22vol%、CO₂：21vol%、H₂：5vol%、N₂：52vol%，发热量为792kcal/Nm³。相对于该燃料气体：30Nm³/h，以使理论氧量为1的方式供给作为助燃气体的空气：19.5Nm³/h。应用的试验炉的炉内压为245kPa。

试验例6中，使用在燃烧器轴方向上距离燃料气体・助燃气体的吹入位置中心500mm的位置设置了稀释气体用的气体喷嘴（内径20mm）的燃烧器，供给稀释气体（高炉气体）33.8Nm³/h，以使从燃烧室排出的燃烧排气温度为800℃。通过该稀释气体的添加，燃烧气体组成变为含有CO（还原气体）10.3vol%。

试验例1~6中，进行燃烧室内的观察（由图31所示的观察窗进行观察）与燃烧排气的气体组成分析，按照下述基准评价燃烧状况。将其结果与气体喷嘴的构成、气体流量、旋流数Sw、燃烧气体组成（试验例6中为添加稀释气体后的气体组成）等一起示于表3。

×：燃烧状况中可见波动、测定到相当量的未燃CO。

○：稳定的燃烧继续、也基本未测定到未燃CO（其中，试验例6的CO浓度是混合稀释气体所致的）

[表7]

［实施例3］

炉内容积5000m³的高炉中，使用如图23和图24所示的气体燃烧・吹入装置a，以如图30所示的实施方式来实施本发明。操作条件设定为，微粉炭吹入量：130kg/t、焦炭比：320kg/t、送风温度：1150℃（湿气：10g/Nm³），使用高反应性焦炭。将从炉顶气体发电装置24的下游侧取出的高炉气体（CO：17.7vol%、CO₂：23.1vol%、H₂：2.4vol%、H₂O：3.6vol%、N₂：53.2vol%）用升压机25a升压至比炉内压高0.2atm的压力，并作为燃料气体导入构成气体吹入部A的气体燃烧・吹入装置a中。此时，相对于高炉气体添加氢，以使氢浓度为4.0vol%，制为氢混合高炉气体。另外，将空气用升压机25b升压、并作为助燃气体导入至气体燃烧・吹入装置a中。

在气体燃烧・吹入装置a中，使氢混合高炉气体100Nm³/t以空气37.8Nm³/t进行燃烧而生成800℃的燃烧气体，将其作为预热气体吹入炉内。气体燃烧・吹入装置a中的氧比为0.736（相对于理论氧量）、预热气体的组成为CO：3.5vol%、CO₂：27.3vol%、H₂：0.8vol%、H₂O：5.0vol%、N₂：63.3vol%。通过吹入这样的预热气体，炉顶气体温度变为149℃，高炉操作中水分在配管内的冷凝也得到完全避免，可以进行稳定的操作。未吹入预热气体时，由热质平衡的计算算出为97℃。

［实施例4］

炉内容积5000m³的高炉中，使用如图26~图29所示的气体燃烧・吹入装置a，以如图8所示的实施方式来实施本发明。高炉操作条件设定为与实施例3相同。将从炉顶气体发电装置24的下游侧取出的高炉气体（CO：17.7vol%、CO₂：23.1vol%、H₂：2.4vol%、H₂O：3.6vol%、N₂：53.2vol%）用升压机25a升压至比炉内压高0.2atm的压力、并作为燃料气体导入构成气体吹入部A的气体燃烧・吹入装置a中。此时，相对于高炉气体添加氢，以使氢浓度为4.0vol%，制为氢混合高炉气体。另外，将空气用升压机25b升压、并作为助燃气体导入至气体燃烧・吹入装置a中。

气体燃烧・吹入装置a中，使氢混合高炉气体73.6Nm³/t以空气37.8Nm³/t（氧比1.0）进行燃烧，同时向燃烧室内供给稀释气体（BFG）26.4Nm³/t，由此生成800℃的燃烧气体，并将其作为预热气体吹入炉内。预热气体的组成与实施例3相同。通过吹入这样的预热气体，炉顶气体温度变为147℃，高炉操作中水分在配管内的冷凝也得到完全避免，可以进行稳定的操作。未吹入预热气体时，由热质平衡的计算算出为97℃。

符号的说明

1　燃烧室、

2a，2b，2c₁，2c₂　开口

3a，3b，3c₁，3c₂　气体喷嘴

4　混合室

5　燃料气体供给管

6　氢供给管

7　助燃气体供给管

8，9，10　流量调节阀、　　　11　流量计

12　燃烧状况检测装置

13　火花塞

14　气体喷嘴

15　开口

16　气体吹入口

17a~17d　气体吹入口组

18　岔管

19　连接管

20　高炉、　　21　风口

22　集尘器、　　23　湿气分离器

24　炉顶气体发电装置

25a，25b　升压机

26_A，26_B　传感器

27，28　流路

100　内壁面

103　吹入口

104　连结管

140　喷嘴管

150　开口

Claims (52)

1.高炉操作方法，其是将空气或富氧空气从风口吹入高炉内的高炉操作方法，其特征在于，将预热气体从设于炉身部的气体吹入部（A）吹入高炉内时，由在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成用于分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口、并使前述燃烧室的前端与高炉内部连通而得到的气体燃烧·吹入装置（a）来构成气体吹入部（A），将由该气体燃烧·吹入装置（a）生成的燃烧气体作为预热气体吹入高炉内，向气体燃烧·吹入装置（a）的燃烧室内供给含有CO、H₂的一种以上的、将燃烧气体稀释而调节气体组成或者调节气体组成和气体温度的稀释气体。

2.权利要求1所述的高炉操作方法，其特征在于，由在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成用于在该内壁面的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口、并使前述燃烧室的前端与高炉内部连通而得到的气体燃烧·吹入装置（a）来构成前述气体吹入部（A）。

3.权利要求1所述的高炉操作方法，其特征在于，供给至气体燃烧·吹入装置（a）的燃料气体为高炉气体。

4.权利要求1所述的高炉操作方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的开口而向燃烧室内分别供给燃料气体与助燃气体的气体喷嘴或用于供给燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴是由在前述气体燃烧·吹入装置（a）的轴线方向上并列的多个喷嘴管来构成的。

5.权利要求1所述的高炉操作方法，其特征在于，前述气体燃烧·吹入装置（a）的燃烧室内的气流具有3～10的旋流数Sw。

6.权利要求1所述的高炉操作方法，其特征在于，向气体燃烧·吹入装置（a）的燃烧室内供给对燃烧气体进行稀释以调整气体温度和/或气体组成的稀释气体。

7.权利要求1所述的高炉操作方法，其特征在于，通过气体导管而使气体燃烧·吹入装置（a）的燃烧室的前端与高炉内部连通。

8.权利要求7所述的高炉操作方法，其特征在于，气体导管为岔管，该岔管通过连接管与形成在炉体上的多个气体吹入口连接，同时与气体燃烧·吹入装置（a）的燃烧室的前端连接。

9.权利要求1或2所述的高炉操作方法，其特征在于，前述燃烧气体向高炉内的吹入是使用发热量为1000kcal/Nm³以下的气体作为燃料气体，同时在吹入燃烧室前的燃料气体和/或吹入燃烧室后的燃料气体中加入氢进行燃烧，并将其燃烧气体作为预热气体而吹入高炉内。

10.权利要求9所述的高炉操作方法，其特征在于，前述燃料气体是含有CO的燃料气体，前述氢是以使前述燃料气体的绝热火焰温度为750℃以上的方式来加入的。

11.权利要求9所述的高炉操作方法，其特征在于，前述燃料气体与助燃气体或者燃料气体与助燃气体的预混合气体是从在气体燃烧·吹入装置（a）的轴线方向上并列设置的多个喷嘴管吹入的。

12.权利要求9所述的高炉操作方法，其特征在于，前述燃料气体为高炉气体。

13.权利要求9所述的高炉操作方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上设置了用于吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的气体燃烧·吹入装置（a），从前述其它开口向燃烧室内吹入氢。

14.权利要求9所述的高炉操作方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上进一步设置了用于在该内壁面的大致切线方向上吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的气体燃烧·吹入装置（a），从前述开口向燃烧室内吹入氢。

15.权利要求13或14所述的高炉操作方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的其它开口而向燃烧室内供给氢的气体喷嘴是由在装置的轴线方向上并列的多个喷嘴管来构成的。

16.权利要求9所述的高炉操作方法，其特征在于，在气体燃烧·吹入装置（a）中，使燃烧室内的气流的旋流数Sw为3～10。

17.权利要求9所述的高炉操作方法，其特征在于，向气体燃烧·吹入装置（a）的燃烧室内供给对燃烧气体进行稀释以调整气体温度和/或气体组成的稀释气体。

18.权利要求1或2所述的高炉操作方法，其中，前述燃烧气体向高炉内的吹入包括使用高炉气体作为燃料气体，同时在吹入燃烧室前的高炉气体和/或吹入燃烧室后的高炉气体中加入氢进行燃烧，并将其燃烧气体作为预热气体而吹入高炉内。

19.权利要求18所述的高炉操作方法，其特征在于，前述燃料气体为高炉气体，前述氢是以使前述燃料气体的绝热火焰温度为750℃以上的方式来加入的。

20.权利要求18所述的高炉操作方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的开口而向燃烧室内分别供给燃料气体与助燃气体的气体喷嘴或用于供给燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴是由在装置的轴线方向上并列的多个喷嘴管来构成的。

21.权利要求18所述的高炉操作方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上进一步形成了用于吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的气体燃烧·吹入装置（a），从前述开口向燃烧室内吹入氢。

22.权利要求18所述的高炉操作方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上进一步形成了用于在该内壁面的大致切线方向上吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的气体燃烧·吹入装置（a），从前述开口向燃烧室内吹入氢。

23.权利要求18所述的高炉操作方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的其它开口而向燃烧室内供给氢的气体喷嘴是由在装置的轴线方向上并列的多个喷嘴管来构成的。

24.权利要求18所述的高炉操作方法，其特征在于，在气体燃烧·吹入装置（a）中，使燃烧室内的气流的旋流数Sw为3～10。

25.权利要求18所述的高炉操作方法，其特征在于，向气体燃烧·吹入装置（a）的燃烧室内供给对燃烧气体进行稀释以调整气体温度和/或气体组成的稀释气体。

26.高炉设备，其是将空气或富氧空气进行风口送风的高炉，其特征在于，在炉身部设置气体吹入部（A），由在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成用于分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口、并使前述燃烧室的前端与高炉内部连通而得到的气体燃烧·吹入装置（a）来构成气体吹入部（A），该气体燃烧·吹入装置（a）的燃烧气体被吹入高炉内，向气体燃烧·吹入装置（a）的燃烧室内供给含有CO、H₂的一种以上的、将燃烧气体稀释而调节气体组成或者调节气体组成和气体温度的稀释气体。

27.权利要求26所述的高炉设备，其特征在于，前述气体吹入部（A）是由在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成用于在该内壁面的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口、并使前述燃烧室的前端与高炉内部连通而得到的气体燃烧·吹入装置（a）来构成前述气体吹入部（A）。

28.权利要求26所述的高炉设备，其特征在于，具备用于从由高炉的炉顶部排出的高炉气体的流路取出高炉气体的一部分、并供给至气体燃烧·吹入装置（a）的流路。

29.权利要求26所述的高炉设备，其特征在于，具备用于将供给至气体燃烧·吹入装置（a）的燃料气体与助燃气体分别升压或者用于将燃料气体与助燃气体的预混合气体升压的升压机。

30.权利要求26所述的高炉设备，其特征在于，在气体燃烧·吹入装置（a）中，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的开口而向燃烧室内分别供给燃料气体与助燃气体的气体喷嘴或用于供给燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴是由在装置的轴线方向上并列的多个喷嘴管来构成的。

31.权利要求26所述的高炉设备，其特征在于，气体燃烧·吹入装置（a）具有向燃烧室内供给对燃烧气体进行稀释以调整气体温度和/或气体组成的稀释气体的机构。

32.权利要求26所述的高炉设备，其特征在于，通过气体导管而使气体燃烧·吹入装置（a）的燃烧室的前端与高炉内部连通。

33.权利要求32所述的高炉设备，其特征在于，气体导管为岔管，该岔管通过连接管与形成在炉体上的多个气体吹入口连接，同时与气体燃烧·吹入装置（a）的燃烧室的前端连接。

34.利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成用于分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口的燃烧器中，使用发热量为1000kcal/Nm³以下的气体作为燃料气体时，向吹入燃烧室前的燃料气体和/或吹入燃烧室后的燃料气体中加入氢使其燃烧，向上述燃烧室内供给含有CO、H₂的一种以上的、将燃烧气体稀释而调节气体组成或者调节气体组成和气体温度的稀释气体。

35.权利要求34所述的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，由在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成用于在该内壁面的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口、并使前述燃烧室的前端与高炉内部连通而得到的气体燃烧·吹入装置（a）来构成前述气体吹入部（A）。

36.权利要求34所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，向含有CO的燃料气体中加入氢以使前述燃料气体的绝热火焰温度为750℃以上。

37.权利要求34所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的开口而向燃烧室内分别供给燃料气体与助燃气体的气体喷嘴或用于供给燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴是由在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管构成的。

38.权利要求34所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，燃料气体为高炉气体。

39.权利要求34所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上形成了用于吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的燃烧器，从前述开口向燃烧室内吹入氢。

40.权利要求34所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上形成了用于在该内壁面的大致切线方向上吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的燃烧器，从前述开口向燃烧室内吹入氢。

41.权利要求34所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的其它开口而向燃烧室内供给氢的气体喷嘴是由在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管构成的。

42.权利要求34所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，使燃烧室内的气流的旋流数Sw为3～10。

43.权利要求34所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，向燃烧室内供给对燃烧气体进行稀释以调整气体温度和/或气体组成的稀释气体。

44.利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成用于分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口的燃烧器中，使用高炉气体作为燃料气体时，向吹入燃烧室前的高炉气体和/或吹入燃烧室后的高炉气体中加入氢使其燃烧，向上述燃烧室内供给含有CO、H₂的一种以上的、将燃烧气体稀释而调节气体组成或者调节气体组成和气体温度的稀释气体。

45.权利要求44所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其中，由在前端开放的管状燃烧室的内壁面上形成用于在该内壁面的大致切线方向上分别吹入燃料气体与助燃气体或者用于吹入燃料气体与助燃气体的预混合气体以在燃烧室内产生气体涡流的开口、并使前述燃烧室的前端与高炉内部连通而得到的气体燃烧·吹入装置（a）来构成前述气体吹入部（A）。

46.权利要求44所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，向高炉气体中加入氢以使前述高炉气体的绝热火焰温度为750℃以上。

47.权利要求44所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的开口而向燃烧室内分别供给燃料气体与助燃气体的气体喷嘴或用于供给燃料气体与助燃气体的预混合气体的气体喷嘴是由在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管构成的。

48.权利要求44所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上形成了用于吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的燃烧器，从前述开口向燃烧室内吹入氢。

49.权利要求44所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，使用在燃烧室的内壁面上形成了用于在该内壁面的大致切线方向上吹入气体以在燃烧室内产生气体涡流的其它开口的燃烧器，从前述开口向燃烧室内吹入氢。

50.权利要求44所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，用于通过在燃烧室的内壁面上形成的其它开口而向燃烧室内供给氢的气体喷嘴是由在燃烧器轴方向上并列的多个喷嘴管构成的。

51.权利要求44所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，使燃烧室内的气流的旋流数Sw为3～10。

52.权利要求44所述的利用燃烧器的低发热量气体的燃烧方法，其特征在于，向燃烧室内供给对燃烧气体进行稀释以调整气体温度和/或气体组成的稀释气体。