CN104024440B - 高炉操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种高炉操作方法，其中，将用于从风口3吹入燃料的喷枪4设定为二重管，从二重管喷枪(4)的内侧管(21)吹入煤粉，同时从二重管喷枪(4)的外侧管(22)吹入氧气，在二重管喷枪(4)的内侧管(21)的吹入前端部设置切口(23)，并使由煤粉的输送气体和从外侧管吹入的气体构成的气体的氧浓度为35体积％以上，由此，即使是煤粉的挥发成分为25质量％以下且煤粉比为150kg/吨以上的高煤粉比操作，也能够提高燃烧温度，结果能够减少排放的CO2，并且通过使氧浓度低于70体积％，能够抑制氧气单耗。另外，通过以等间距在二重管喷枪(4)的内侧管(21)的周向上设置多个切口(23)，燃烧效率进一步提高。

Description

高炉操作方法
技术领域
本发明涉及一种高炉操作方法，其通过从高炉风口吹入煤粉、使燃烧温度上升来实现生产率的提高和排放CO2的减少。
背景技术
近年来，由于二氧化碳排放量的增加而导致的全球变暖成为问题，在炼铁业中，抑制CO2的排放也是重要的课题。高炉主要使用焦炭以及从风口吹入的煤粉作为还原材料，基于通过预处理所产生的二氧化碳排放量的差异，相比于焦炭，尽可能地使用煤粉能够抑制排放的CO2。例如，在下述专利文献1中，使用煤粉比为150kg/吨生铁以上、挥发成分为25质量％以下的煤粉，向用于从风口吹入燃料的喷枪中供给煤粉和氧气，并使喷枪中的氧浓度为70体积％以上，由此能够提高燃烧效率。另外，在该专利文献1中，还提出了：当喷枪为单管时，从喷枪吹入氧气和煤粉的混合物，当喷枪为二重管时，从二重管喷枪的内侧管吹入煤粉，从二重管喷枪的外侧管吹入氧气。需要说明的是，所谓煤粉比，是指每1吨生铁所使用的煤粉的质量。
另外，在下述专利文献2中，在二重管喷枪的外侧管中设置凹凸，使煤粉分散，从而促进了煤粉与氧气的反应。
另外，在下述专利文献3中，当从二重管的内侧管吹入煤粉、从二重管喷枪的外侧管吹入氧气时，通过使二重管喷枪的内侧管短于外侧管，即，使内侧管的煤粉吹出前端部比外侧管的氧气吹出前端部更靠近吹出方向的近前侧，提高了煤粉与氧气的接触性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4074467号公报
专利文献2：韩国专利公开公报2002-00047359
专利文献3：日本特开平6-100912号公报
发明内容
发明所要解决的问题
虽然向风口中送入了大量的空气，但喷枪可能暴露于高温中，如上述专利文献1所述向单管喷枪中供给高浓度的氧气和煤粉的混合物从安全方面考虑是不现实的。另外，从要求进一步减少排放的CO2的观点出发，例如希望使煤粉比为170kg/吨生铁以上，但当煤粉比为170kg/吨生铁以上的高煤粉比时，即使如上述专利文献1所述仅仅从二重管喷枪的内侧管吹入煤粉、从外侧管吹入氧气，燃烧温度也会达到饱和，无法提高燃烧效率。
另外，在二重管喷枪的外侧管中流动的气体还起到冷却该外侧管的作用，因此，当如上述专利文献2所述存在设置于外侧管中的凹凸这种阻碍气体流动的部件时，在流动较弱的部分施加了热负荷，可能会产生裂纹、熔损等损耗。产生这种损耗时，可能会诱发逆火、喷枪堵塞等。另外，如果煤粉量增加，则存在因从内侧管喷出的煤粉而无法避免凸部产生磨损的问题。
另外，当如上述专利文献3所述仅仅使二重管喷枪的内侧管的前端部短于外侧管时，即使煤粉与氧气的接触性提高，但由于氧气流动而抑制了煤粉的分散，无法获得充分的燃烧性提高效果。
本发明是着眼于上述问题而进行的，其目的在于提供能够提高燃烧温度、结果能够减少排放的CO2的高炉操作方法。
用于解决问题的方法
为了实现上述目的，本发明提供如下所述的高炉操作方法。
(1)一种高炉操作方法，其中，
准备挥发成分为25质量％以下的煤粉，
准备用于从风口吹入煤粉和助燃性气体的具有内侧管和外侧管的二重管喷枪，
从所述风口吹入热风，
在所述二重管喷枪的内侧管的吹入前端部，在周向上设置多个在轴向上凹陷的切口，
从该内侧管以150kg/吨生铁以上的煤粉比将所述煤粉与输送气体一同吹入，
从所述二重管喷枪的外侧管吹入助燃性气体，
由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为35体积％以上。
(2)如(1)所述的高炉操作方法，其中，所述切口以等间距设置在所述二重管喷枪的内侧管的前端部周向上。
(3)如(2)所述的高炉操作方法，其中，所述切口的宽度以全部切口的宽度总和相对于所述二重管喷枪的内侧管的内周长度之比计，设定为大于0且为0.5以下。
(4)如(3)所述的高炉操作方法，其中，所述切口的宽度以全部切口的宽度总和相对于所述二重管喷枪的内侧管的内周长度之比计，设定为0.05以上且0.3以下。
(5)如(4)所述的高炉操作方法，其中，所述切口的宽度以全部切口的宽度总和相对于所述二重管喷枪的内侧管的内周长度之比计，设定为0.1以上且0.2以下。
(6)如(2)所述的高炉操作方法，其中，所述切口的深度设定为超过0mm且为12mm以下。
(7)如(6)所述的高炉操作方法，其中，所述切口的深度设定为2mm以上且10mm以下。
(8)如(7)所述的高炉操作方法，其中，所述切口的深度设定为3mm以上且7mm以下。
(9)如(2)所述的高炉操作方法，其中，在将所述二重管喷枪的内侧管的内周长除以1个切口的宽度而得到的整数部分作为最大切口数时，所述切口数以切口数相对于最大切口数之比计，设定为大于0且为0.8以下。
(10)如(9)所述的高炉操作方法，其中，所述切口数以切口数相对于所述最大切口数之比计，设定为0.1以上且0.6以下。
(11)如(10)所述的高炉操作方法，其中，所述切口数以切口数相对于所述最大切口数之比计，设定为0.2以上且0.5以下。
(12)如(1)所述的高炉操作方法，其中，所述助燃性气体为氧气，从所述二重管喷枪的外侧管吹入在送风中富集的氧气的一部分。
(13)如(1)所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉具有3质量％以上且25质量％以下的挥发成分。
(14)如(1)所述的高炉操作方法，其中，从所述二重管喷枪的外侧管吹入的助燃性气体具有20～120m/秒的出口流速。
(15)如(1)所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉比为170kg/吨生铁以上。
(16)如(1)所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉比为170kg/吨生铁以上，由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为35体积％以上且小于70体积％。
(17)如(16)所述的高炉操作方法，其中，由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为40体积％以上且65体积％以下。
(18)如(17)所述的高炉操作方法，其中，由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为45体积％以上且60体积％以下。
(19)如(15)所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉比为170kg/吨生铁以上且300kg/吨生铁以下。
(20)如(16)所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉比为170kg/吨生铁以上且300kg/吨生铁以下。
(21)如(1)所述的高炉操作方法，其中，由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为35体积％以上且小于70体积％。
(22)如(21)所述的高炉操作方法，其中，由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为40体积％以上且65体积％以下。
(23)如(22)所述的高炉操作方法，其中，由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为45体积％以上且60体积％以下。
(24)如(1)所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉比为150kg/吨生铁以上且300kg/吨生铁以下。
(25)如(1)所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉比为150kg/吨生铁以上且小于170kg/吨生铁。
(26)如(1)所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉比为150kg/吨生铁以上且小于170kg/吨生铁，由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为35体积％以上且小于70体积％。
(27)如(1)至(26)中任一项所述的高炉操作方法，其中，在所述煤粉中加入由废塑料、废弃物固体燃料、有机资源、废料、CDQ集尘焦炭构成的组中的至少一种。
(28)如(27)所述的高炉操作方法，其中，以使所述煤粉的比例为80质量％以上的方式使用所述废塑料、废弃物固体燃料、有机资源、废料、CDQ集尘焦炭。
发明效果
根据本发明的高炉操作方法，将用于从风口吹入燃料的喷枪设定为二重管，从二重管喷枪的内侧管吹入煤粉，同时从二重管喷枪的外侧管吹入助燃性气体，在二重管喷枪的内侧管的吹入前端部设置切口，并使二重管喷枪中由输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为35体积％以上，由此，即使是煤粉的挥发成分为25质量％以下且煤粉比为150kg/吨以上的高煤粉比操作，也能够提高燃烧温度，结果能够减少排放的CO2。另外，在煤粉比为170kg/吨以上时，通过使二重管喷枪中由输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度低于70体积％，能够抑制氧气等助燃性气体的单耗。
另外，通过以等间距在二重管喷枪的内侧管的前端部周向上设置多个切口，能够促进煤粉和助燃性气体的扩散，从而能够进一步提高燃烧效率。
另外，通过从二重管喷枪的外侧管吹入在送风中富集的氧气的一部分，能够在不损害高炉内的气体平衡的情况下避免氧气的过量供给。
附图说明
图1是表示应用本发明的高炉操作方法的高炉的一个实施方式的纵剖面图。
图2是从图1的喷枪中仅吹入煤粉时的燃烧状态的说明图。
图3是图2的煤粉的燃烧机理的说明图。
图4是吹入煤粉和氧气时的燃烧机理的说明图。
图5是燃烧实验装置的说明图。
图6(a)～(c)是煤粉流富集的说明图。
图7(a)和图7(b)是图1的喷枪的吹入前端部的详图。
图8(a)和图8(b)是图7的喷枪以及由直管构成的喷枪的煤粉流的说明图。
图9是表示煤粉比为150kg/吨生铁以上且小于170kg/吨生铁时，喷枪供给气体中的氧浓度与燃烧率的关系的图。
图10是表示煤粉比为170kg/吨生铁以上时，喷枪供给气体中的氧浓度与燃烧率的关系的图。
图11(a)～(c)是从内侧管的径向观察时的切口形状的说明图。
图12(a)和图12(b)是切口的前端中心与下端中心所成角度θ的说明图。
图13是氧气与煤粉的接触面积以及煤粉的分散宽度的实验的说明图。
图14是改变切口宽度时，氧气与煤粉的接触面积以及煤粉的分散宽度的说明图。
图15是改变切口深度时，氧气与煤粉的接触面积以及煤粉的分散宽度的说明图。
图16是改变切口数量时，氧气与煤粉的接触面积以及煤粉的分散宽度的说明图。
图17是在切口形状为四边形的情况下和三角形的情况下改变这些切口的宽度时，氧气与煤粉的接触面积以及煤粉的分散宽度的说明图。
图18是表示喷枪的出口流速与喷枪表面温度的关系的说明图。
具体实施方式
接着，参考附图对本发明的高炉操作方法的一个实施方式进行说明。
图1是应用本实施方式的高炉操作方法的高炉的整体图。如图所示，在高炉1的风口3中连接有用于吹送热风的送风管2，并且贯通该送风管2而设置有喷枪4。在风口3的热风吹送方向前方的焦炭堆积层上，存在被称为回旋区5的燃烧空间，主要在该燃烧空间中进行还原材料的燃烧、气化。
图2示出了从喷枪4仅吹入作为固体还原材料的煤粉6时的燃烧状态。从喷枪4通过风口3吹入到回旋区5内的煤粉6的挥发成分和固定碳与焦炭7一起燃烧，释放出挥发成分后残留下来的通常被称为炭的碳与灰分的集合体作为未燃烧炭8从回旋区排出。风口3的热风吹送方向前方的热风速度约为200米/秒，从喷枪4的前端到回旋区5内存在氧气的区域约为0.3～0.5米，因此实质上需要以1/1000秒的水平改善煤粉粒子的升温以及与氧气的接触效率(分散性)。
图3示出了从喷枪4向送风管2内仅吹入煤粉(图中，PC：pulverizedCoal)6时的燃烧机理。从风口3吹入到回旋区5内的煤粉6的粒子通过来自回旋区5内的火焰的辐射传热而被加热，进而通过辐射传热、传导传热使粒子温度急剧上升，从升温至300℃以上的时刻开始热分解，挥发成分着火而形成火焰，燃烧温度达到1400～1700℃。如果挥发成分释放，则形成上述的炭8。由于炭8主要为固定碳，因此在燃烧反应的同时，也产生溶损反应、氢转移反应等被称为碳溶解反应的反应。
图4示出了从喷枪4向送风管2内与煤粉6一同吹入作为助燃性气体的氧气9时的燃烧机理。示出的是煤粉6和氧气9的吹入方法为简单地平行吹入的情况。需要说明的是，图中的双点划线示出了图3所示的仅吹入煤粉时的燃烧温度作为参考。可以认为，在这样同时吹入煤粉和氧气的情况下，在喷枪附近促进了煤粉与氧气的混合，煤粉从更早的时期开始燃烧，由此，在靠近喷枪的位置，燃烧温度进一步上升。
基于这种见解，使用图5所示的燃烧实验装置进行了燃烧实验。模拟高炉内部，在实验炉11中填充有焦炭，可以从观察窗对回旋区15的内部进行观察。在送风管12中插入喷枪14，使得能够以规定的送风量向实验炉11内吹送由燃烧器13产生的热风作为从热风炉向高炉吹送的热风。另外，还可以通过该送风管12调整送风的氧气富集量。喷枪14可以向送风管12内吹入煤粉和氧气中的任意一者或两者。实验炉11中产生的废气在称作旋风分离器的分离装置16中被分离为废气和粉尘，废气被送至助燃炉等废气处理设备，粉尘被收集到收集箱17中。
煤粉的参数为固定碳(FC：FixedCarbon)71.4％、挥发成分(VM：VolatileMatter)19.5％、灰分(Ash)9.1％。送风条件设定为送风温度1200℃、流量300Nm3/小时、风口前端风速130m/秒、氧气富集6％(氧浓度为27.0％，即相对于空气中的氧浓度21％，富集了6.0％)。作为煤粉吹入条件，喷枪14使用二重管喷枪，从二重管喷枪的内侧管吹入煤粉，从二重管喷枪的外侧管吹入氧气作为助燃性气体。将煤粉与输送气体一同吹入，煤粉的输送气体使用氮气。另外，对于煤粉与输送煤粉的输送气体的固气比而言，在以较少的气体量输送粉体、即煤粉的方式(高浓度输送)中，固气比为10～25kg/Nm3，在以大量的气体进行输送的方式(低浓度输送)中，固气比为5～10kg/Nm3。输送气体除了氮气以外，还可以使用空气。接着，在100kg/吨～180kg/吨之间对煤粉比进行各种改变，特别是对煤粉流的变化进行了实验。需要说明的是，在吹入氧气作为助燃性气体时，使用在送风中富集的氧气的一部分，从而使吹入到炉内的氧气总量不变。另外，作为助燃性气体，也可以使用富氧空气。
通过该实验，本发明人进一步得到以下见解。即，在从二重管喷枪的内侧管吹入煤粉、从外侧管吹入助燃性气体即氧气时，即使煤粉的挥发成分为25质量％以下，只要是煤粉比小于150kg/吨的低煤粉比操作，则通过提高氧浓度，燃烧温度也会提高。然而，在煤粉比为150kg/吨以上的高煤粉比操作中，即使提高氧浓度，燃烧温度也不会提高。在煤粉比为150kg/吨以上的区域中，在氧浓度约为35体积％时燃烧温度达到饱和。这是因为，如后所述，从二重管喷枪的内侧管吹入的煤粉集中在吹入流的中央部分(也称为富集)，难以与从二重管喷枪的外侧管吹入的氧气接触，或者无法接触。因此，在本发明中，虽然在从二重管喷枪的内侧管吹入煤粉、从外侧管吹入助燃性气体例如氧气这一点上是相同的，但是特别地在内侧管的吹入前端部设置了切口，促进了煤粉和助燃性气体的扩散，使两者容易接触，从而实现了燃烧温度的提高。但是，另一方面，即使在二重管喷枪的内侧管吹入前端部设置切口，当煤粉比为170kg/吨以上时，如果喷枪整体的氧浓度为70体积％以上，则燃烧温度仍然会达到饱和而无法提高。即，即使在此浓度以上提高氧浓度，也只会增加氧气单耗而不会提高燃烧效率。另外，在二重管喷枪的内侧管上设置切口时，与突出设置挡板等突起物时不同，不存在煤粉撞击到突起物而导致突起物损耗等问题。
图6(a)中示出了煤粉比小于150kg/吨的低煤粉比操作状态下的煤粉流。在实验中，由于喷枪形状为一定直径的直管，因此煤粉的分散宽度大致恒定。在这种煤粉比低的情况下，在分散宽度内煤粉流形成大致均匀的浓度。然而，在煤粉比为150kg/吨以上的高煤粉比操作状态下，如图6(b)所示，分散宽度内的中央部发生富集，特别是在煤粉比为170kg/吨以上的高煤粉比操作状态下，煤粉流的中央部显著富集。由于氧气从二重管喷枪的外侧管吹入，因此在煤粉流的中央部富集的煤粉不与氧气接触而直接以未燃烧的状态进入到炉内，使高炉内的通风变差。即使为了促进与氧气的接触而增加氧气的吹入量，如图6(c)所示，如果氧气的吹入量达到一定量以上，则煤粉流也只是在周围的氧气流的中央部更加富集，没有实质性地促进与氧气的接触，如后所述燃烧温度达到饱和。
图7示出了本实施方式的二重管喷枪4的吹入前端部的细节，图7(a)是纵截面图，图7(b)是图7(a)的A-A截面图。因此，在本实施方式中，如图7所示，在二重管喷枪4的内侧管21的吹入前端部设置切口23，通过该切口23，煤粉6与作为助燃性气体的氧气9彼此扩散，由此形成两者有效接触的状态，因此燃烧温度提高。例如在内侧管21的内径约为时，使切口23的截面为约5mm×5mm的方形，并在内侧管21的周向上每隔90度以等间隔设置4个切口。使外侧管22保持直管的状态。需要说明的是，切口23的形状并不限定于上述形状，如后所述，可以为例如三角形状、U字形状等，另外切口23的个数也不限定于上述数量。
如上所述在二重管喷枪4的内侧管21的吹入前端部设置切口23时，如图8(a)所示，通过该切口23，煤粉6与作为助燃性气体的氧气9彼此扩散而接触，能够提高燃烧温度。与此相对，在内侧管21的吹入前端部没有切口的以往二重管喷枪4中，如图8(b)所示，煤粉6仅在作为助燃性气体的氧气9的中央部富集，与氧气9的接触量下降，燃烧温度达到饱和。另外，如上所述，在二重管喷枪4的内侧管21上设置切口23时，与突出设置挡板等突起物时不同，不存在煤粉撞击到突起物而导致突起物损耗等问题。
图9中，用燃烧率表示在煤粉比为150kg/吨、煤粉的挥发成分为25质量％以下、送风条件恒定、氧富集率恒定的条件下，使用在内侧管21的吹入前端部设置有切口23的二重管喷枪4时和使用在内侧管21的吹入前端部没有切口的二重管喷枪4时的燃烧温度。两种情况下，均从二重管喷枪4的内侧管吹入煤粉，从外侧管吹入氧气作为助燃性气体。由该图可知，在使用内侧管21上没有切口的二重管喷枪4的情况下，当喷枪中由输送煤粉的输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为35体积％以上时，燃烧温度达到饱和。即，在内侧管21上没有切口的二重管喷枪4的情况下，即使使氧浓度为35体积％以上，燃烧温度也不会提高。与此相对，当使用在内侧管21上设置有切口23的二重管喷枪4时，即使由输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为35体积％以上，燃烧温度也会提高。这表示在煤粉比为150kg/吨以上且小于170kg/吨的区域中，从二重管喷枪4吹入的煤粉流未发生富集。
但是，另一方面，即使在使用内侧管21上设置有切口23的二重管喷枪4的情况下，当煤粉比为170kg/吨以上时，如图10所示，如果喷枪中由输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为70体积％以上，则燃烧温度也会达到饱和，即使在此浓度以上提高氧浓度，燃烧温度也不会提高。即，在煤粉比为170kg/吨以上的区域中，当喷枪中由输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为70体积％以上时，只会增加氧气单耗而不会改善燃烧效率。因此，即使在使用内侧管21上设置有切口23的二重管喷枪4的情况下，也要使煤粉比为150kg/吨以上且小于170kg/吨，或者在煤粉比为170kg/吨的情况下，使由输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为35体积％以上且小于70体积％，优选为40体积％以上且65体积％以下，更优选为45体积％以上且60体积％以下。另外，煤粉比的上限为300kg/吨以下，优选为250kg/吨以下。
另外，从内侧管21的径向观察时的切口23的形状设定为图11(a)所示的四边形、图11(b)所示的三角形、图11(c)所示的U字形等，切口的大小简单地用切口21的开口的宽度和从切口21的开口至底部的深度来表示。另外，切口23的前端中心与下端中心所成的角度θ、具体而言为连接切口23的开口中心和底部中心的线段与连接该开口的弦所成的角度θ，如图12所示，优选设定为30～90°。对于使该切口的形状、特别是大小发生各种改变时的氧气与煤粉的接触面积、煤粉的分散宽度进行了实验。如图13所示，实验如下进行：分别从二重管喷枪的内侧管和外侧管、即煤粉流路和氧气流路注入烟，将从煤粉流路出来的烟与从氧气流路出来的烟的重叠区域的面积作为氧气与煤粉的接触面积，通过图像分析进行计算，同时由从煤粉流路出来的烟的扩散角度求出煤粉的分散宽度。实验主要是针对从内侧管的径向观察时切口的形状为四边形的情况进行的。
首先，将对切口的宽度进行各种改变时氧气与煤粉的接触面积以及煤粉的分散宽度示于图14中。切口的宽度以全部切口的宽度总和相对于内侧管的内周长度之比来表示，氧气与煤粉的接触面积以及煤粉的分散宽度以使用没有切口的内侧管时的比率来表示。由图可知，如果增大切口的宽度，则氧气与煤粉的接触面积、煤粉的分散宽度均变大，但煤粉的分散宽度从某个位置开始呈减少趋势。认为这是因为，如果增大切口的宽度，则氧气与煤粉的混合性变好，但如果切口的宽度过大，则氧气会流入至二重管喷枪的径向内侧从而抑制了煤粉的分散。因此，切口的宽度以全部切口的宽度总和相对于内侧管外周之比计，优选设定为大于0且0.5以下，更优选设定为0.05以上且0.3以下，进一步优选设定为0.1以上且0.2以下。
另外，将对切口的深度进行各种改变时氧气与煤粉的接触面积以及煤粉的分散宽度示于图15中。切口的深度以深度本身的尺寸表示，氧气与煤粉的接触面积以及煤粉的分散宽度以使用没有切口的内侧管时的比率来表示。由图可知，如果增大切口的深度，则氧气与煤粉的接触面积、煤粉的分散宽度均变大，但煤粉的分散宽度从某个位置开始呈减少趋势。认为这是因为，如果增大切口的深度，则氧气与煤粉的混合性变好，但如果切口的深度过大，则喷枪前端的流动稳定化，因此抑制了煤粉的分散。因此，切口的深度以尺寸计，优选设定为大于0且12mm以下，更优选设定为2mm以上且10mm以下，进一步优选设定为3mm以上且7mm以下。
另外，将对切口的数量进行各种改变时氧气与煤粉的接触面积以及煤粉的分散宽度示于图16中。切口的数量以切口数相对于最大切口数之比来表示，氧气与煤粉的接触面积以及煤粉的分散宽度以使用没有切口的内侧管时的比率来表示。需要说明的是，最大切口数是指用内侧管的内周长除以切口的宽度而得到的整数部分，具体而言是表示最多能够在内侧管上形成多少个规定宽度的切口。由图可知，如果增加切口的数量，则氧气与煤粉的接触面积、煤粉的分散宽度均变大，但煤粉的分散宽度从某个位置开始呈减少趋势。认为这是因为，如果增加切口的数量，则氧气与煤粉的混合性、煤粉的分散性变好，但如果切口的数量过多，则流入到内侧管的氧气的比率变大，从而抑制了煤粉的分散。因此，切口的数量以切口数相对于最大切口数之比计，优选设定为大于0且0.8以下，更优选设定为0.1以上且0.6以下，进一步优选设定为0.2以上且0.5以下。
另外，将在切口形状为四边形的情况下和三角形的情况下对这些切口的宽度进行各种改变时，氧气与煤粉的接触面积以及煤粉的分散宽度示于图17中。图17是在上述的图14中叠加三角形切口的实验结果的图。切口的宽度以全部切口的宽度总和相对于内侧管的内周长度之比来表示，氧气与煤粉的接触面积以及煤粉的分散宽度以使用没有切口的内侧管时的比率来表示。由图可知，在切口形状为四边形的情况下和三角形的情况下，如果增大切口的宽度，则氧气与煤粉的接触面积、煤粉的分散宽度均变大，但煤粉的分散宽度从某个位置开始呈减少趋势。认为其原因在于，当切口的形状为三角形时，与上述图14的说明同样，如果增大切口的宽度，则氧气与煤粉的混合性变好，但如果切口的宽度过大，则氧气会流入至二重管喷枪的径向内侧从而抑制了煤粉的分散。因此，无论切口形状本身如何，切口的宽度以全部切口的宽度总和相对于内侧管外周之比计，优选设定为大于0且0.5以下，更优选设定为0.05以上且0.3以下，进一步优选设定为0.1以上且0.2以下。
另外，随着如上所述的燃烧温度的上升，二重管喷枪的外侧管容易暴露在高温中。喷枪例如由不锈钢钢管构成。虽然也有在喷枪的外侧实施了被称为所谓水套的水冷的例子，但其无法覆盖到喷枪前端。特别是已知该水冷达不到的二重管喷枪的外侧管的前端部容易因热而变形。如果喷枪变形即弯曲，则无法将气体、煤粉吹入到所希望的部位，并且还会给作为消耗品的喷枪的更换操作带来障碍。另外，也可以想到煤粉流会发生变化而撞击到风口，这种情况下风口可能会损坏。另外，如果二重管喷枪的外侧管弯曲，则与内侧管的间隙被阻塞，气体无法从外侧管流动时，二重管喷枪的外侧管会发生熔损，根据情况还存在送风管破损的可能性。如果喷枪变形或损耗，则不能确保上述的燃烧温度，进而也无法降低还原材料单耗。
为了冷却无法进行水冷的二重管喷枪的外侧管，只能通过在内部流动的气体进行冷却。在通过向在内部流动的气体散热来对例如二重管喷枪的外侧管自身进行冷却的情况下，认为气体的流速会给喷枪温度带来影响。因此，本发明人对于从二重管喷枪的外侧管吹入的气体的流速进行了各种改变，并测定了喷枪表面的温度。实验通过从二重管喷枪的外侧管吹入氧气、从内侧管吹入煤粉而进行，气体的流速调整通过增减从外侧管吹入的氧气的供给量而进行。需要说明的是，氧气可以是富氧空气，使用2％以上、优选10％以上的富氧空气。通过使用富氧空气，除了冷却之外，还可以实现煤粉燃烧性的提高。将测定结果示于图18中。
二重管喷枪的外侧管使用被称为20ASchedule5S的钢管。另外，二重管喷枪的内侧管使用被称为15ASchedule90的钢管，对于从外侧管吹入的氧气和氮气的合计流速进行各种改变，并测定喷枪表面的温度。顺带说明，“15A”、“20A”是JISG3459中规定的钢管外径的公称尺寸，15A表示外径为21.7mm，20A表示外径为27.2mm。另外，“Schedule”是JISG3459中规定的钢管壁厚的公称尺寸，20ASchedule5S表示1.65mm，15ASchedule90表示3.70mm。需要说明的是，除了不锈钢钢管以外，也可以使用普通钢。这种情况下钢管的外径由JISG3452规定，壁厚由JISG3454规定。
如该图中双点划线所示，随着从二重管喷枪的外侧管吹入的气体的流速的增加，喷枪表面的温度成反比地下降。在将钢管用于二重管喷枪时，如果二重管喷枪的表面温度超过880℃，则会产生蠕变变形，二重管喷枪会发生弯曲。因此，在二重管喷枪的外侧管使用20ASchedule5S的钢管且二重管喷枪的表面温度为880℃以下的情况下，二重管喷枪的外侧管的出口流速为20米/秒以上。并且，当二重管喷枪的外侧管的出口流速为20米/秒以上时，二重管喷枪不会产生变形、弯曲。另一方面，如果二重管喷枪的外侧管的出口流速超过120米/秒，则从设备的运转成本的观点考虑是不实用的，因此将二重管喷枪的外侧管的出口流速的上限设定为120米/秒。顺带说明，由于单管喷枪的热负荷小于二重管喷枪，因此根据需要使出口流速为20米/秒以上即可。
在上述实施方式中，使用平均粒径为10～100μm的煤粉，当确保燃烧性并且考虑从喷枪供给以及对喷枪的供给性时，优选设定为20～50μm。煤粉的平均粒径小于20μm时，燃烧性优良，但在输送煤粉时(气体输送)喷枪容易堵塞，如果超过50μm，则煤粉燃烧性可能会变差。
另外，对于能够作为从二重管喷枪的内侧管吹入的煤粉使用的材料而言，除了具有25质量％以下的挥发成分的煤以外，还可以使用无烟煤作为固体还原材料。无烟煤具有3～5质量％的挥发成分。因此，在本发明中，使用的煤粉表现为包括无烟煤在内的、具有3质量％以上且25质量％以下的挥发成分的煤粉。
另外，吹入的固体还原材料以煤粉为主，其中也可以使用废塑料、废弃物固体燃料(RDF)、有机资源(biomass)、废料、CDQ集尘焦炭。CDQ集尘焦炭是在干式熄火装置(CDQ)中集尘而得到的焦炭粉。使用时，煤粉相对于全部固体还原材料的比优选设定为80质量％以上。即，由于煤粉和废塑料、废弃物固体燃料(RDF)、有机资源(biomass)、废料、CDQ集尘焦炭等通过反应所产生的热量不同，因此，如果彼此的使用比率接近，则燃烧容易产生不均匀，操作容易变得不稳定。另外，与煤粉相比，废塑料、废弃物固体燃料(RDF)、有机资源(biomass)、废料等通过燃烧反应所产生的发热量较低，因此如果大量吹入，则对于从炉顶装入的固体还原材料的替代效率下降，另外，虽然CDQ集尘焦炭的发热量高，但由于没有挥发成分因而难以着火，替代效率下降，因此优选使煤粉的比例为80质量％以上。
另外，废塑料、废弃物固体燃料(RDF)、有机资源(biomass)、废料可以以6mm以下、优选3mm以下的细粒的形式与煤粉一起使用。另外，CDQ集尘焦炭可以直接使用。与煤粉的比例可以通过与输送气体所运送的煤粉合流而混合来实现。也可以预先与煤粉混合使用。
如上所述，在本实施方式的高炉操作方法中，将用于从风口3吹入燃料的喷枪4设定为二重管，从两根二重管喷枪4的内侧管21吹入煤粉，同时从两根二重管喷枪4的外侧管22吹入氧气(助燃性气体)，在二重管喷枪4的内侧管21的吹入前端部设置切口23，并使由输送煤粉的输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为35体积％以上，由此，即使是煤粉的挥发成分为25质量％以下且煤粉比为150kg/吨以上的高煤粉比操作，也能够提高燃烧温度，结果能够减少排放的CO2。另外，当煤粉比为170kg/吨以上时，通过使由输送煤粉的输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度低于70体积％，能够抑制氧气单耗。
另外，通过以等间距在二重管喷枪4的内侧管21的前端部周向上设置多个切口23，能够促进煤粉和助燃性气体的扩散，从而能够进一步提高燃烧效率。
另外，通过从二重管喷枪4的外侧管22吹入在送风中富集的氧气的一部分(作为助燃性气体)，能够在不损害高炉内的气体平衡的情况下避免氧气的过量供给，并且能够减少使用的氧气的单耗。
标号说明
1高炉
2送风管
3风口
4喷枪
5回旋区
6煤粉
7焦炭
8炭
9氧气
21内侧管
22外侧管
23切口

Claims (28)

1.一种高炉操作方法，其中，
准备挥发成分为25质量％以下的煤粉，
准备用于从风口吹入煤粉和助燃性气体的具有内侧管和外侧管的二重管喷枪，
从所述风口吹入热风，
在所述二重管喷枪的内侧管的吹入前端部，在周向上设置多个在轴向上凹陷的切口，
从该内侧管以150kg/吨生铁以上的煤粉比将所述煤粉与输送气体一同吹入，
从所述二重管喷枪的外侧管吹入助燃性气体，
由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为35体积％以上。
2.如权利要求1所述的高炉操作方法，其中，所述切口以等间距设置在所述二重管喷枪的内侧管的前端部周向上。
3.如权利要求2所述的高炉操作方法，其中，所述切口的宽度以全部切口的宽度总和相对于所述二重管喷枪的内侧管的内周长度之比计，设定为大于0且为0.5以下。
4.如权利要求3所述的高炉操作方法，其中，所述切口的宽度以全部切口的宽度总和相对于所述二重管喷枪的内侧管的内周长度之比计，设定为0.05以上且0.3以下。
5.如权利要求4所述的高炉操作方法，其中，所述切口的宽度以全部切口的宽度总和相对于所述二重管喷枪的内侧管的内周长度之比计，设定为0.1以上且0.2以下。
6.如权利要求2所述的高炉操作方法，其中，所述切口的深度设定为超过0mm且为12mm以下。
7.如权利要求6所述的高炉操作方法，其中，所述切口的深度设定为2mm以上且10mm以下。
8.如权利要求7所述的高炉操作方法，其中，所述切口的深度设定为3mm以上且7mm以下。
9.如权利要求2所述的高炉操作方法，其中，在将所述二重管喷枪的内侧管的内周长除以1个切口的宽度而得到的整数部分作为最大切口数时，所述切口数以切口数相对于最大切口数之比计，设定为大于0且为0.8以下。
10.如权利要求9所述的高炉操作方法，其中，所述切口数以切口数相对于所述最大切口数之比计，设定为0.1以上且0.6以下。
11.如权利要求10所述的高炉操作方法，其中，所述切口数以切口数相对于所述最大切口数之比计，设定为0.2以上且0.5以下。
12.如权利要求1所述的高炉操作方法，其中，所述助燃性气体为氧气，从所述二重管喷枪的外侧管吹入在送风中富集的氧气的一部分。
13.如权利要求1所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉具有3质量％以上且25质量％以下的挥发成分。
14.如权利要求1所述的高炉操作方法，其中，从所述二重管喷枪的外侧管吹入的助燃性气体具有20～120m/秒的出口流速。
15.如权利要求1所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉比为170kg/吨生铁以上。
16.如权利要求1所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉比为170kg/吨生铁以上，由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为35体积％以上且小于70体积％。
17.如权利要求16所述的高炉操作方法，其中，由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为40体积％以上且65体积％以下。
18.如权利要求17所述的高炉操作方法，其中，由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为45体积％以上且60体积％以下。
19.如权利要求15所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉比为170kg/吨生铁以上且300kg/吨生铁以下。
20.如权利要求16所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉比为170kg/吨生铁以上且300kg/吨生铁以下。
21.如权利要求1所述的高炉操作方法，其中，由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为35体积％以上且小于70体积％。
22.如权利要求21所述的高炉操作方法，其中，由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为40体积％以上且65体积％以下。
23.如权利要求22所述的高炉操作方法，其中，由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为45体积％以上且60体积％以下。
24.如权利要求1所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉比为150kg/吨生铁以上且300kg/吨生铁以下。
25.如权利要求1所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉比为150kg/吨生铁以上且小于170kg/吨生铁。
26.如权利要求1所述的高炉操作方法，其中，所述煤粉比为150kg/吨生铁以上且小于170kg/吨生铁，由所述输送气体和助燃性气体构成的气体的氧浓度为35体积％以上且小于70体积％。
27.如权利要求1至26中任一项所述的高炉操作方法，其中，在所述煤粉中加入由废塑料、废弃物固体燃料、有机资源、CDQ集尘焦炭构成的组中的至少一种。
28.如权利要求27所述的高炉操作方法，其中，以使所述煤粉的比例为80质量％以上的方式使用所述废塑料、废弃物固体燃料、有机资源、CDQ集尘焦炭。
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