CN104379770B

CN104379770B - 高炉操作方法

Info

Publication number: CN104379770B
Application number: CN201380032584.4A
Authority: CN
Inventors: 藤原大树; 村尾明纪
Original assignee: NKK Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: CN104379770A; KR101608231B1; AU2013284587A1; EP2871247A1; JP5522325B1; KR20150023045A; EP2871247A4; JPWO2014007152A1; WO2014007152A1; EP2871247B1; AU2013284587B2

Abstract

本发明提出一种高炉操作方法，能够提高从风口吹入的煤粉的燃烧率以及降低还原材料的单位消耗。在从风口经由喷枪吹入的高炉的操作方法中，在从风口吹入的上述固体还原材料的吹入量相对于每吨生铁为150kg/t以上的情况下，使用双管喷枪作为上述喷枪，从其内管吹入该固体还原材料，并从内管与外管之间吹入100℃以下的氧气，并且使用平均挥发成分为超过25质量％且50质量％以下的煤粉，作为吹入用固体还原材料。

Description

高炉操作方法

技术领域

本发明涉及一种高炉操作方法，特别是涉及通过将煤粉等固体还原材料从高炉的风口吹入，来实现生产率提高与还原材料单位消耗的降低且有效的高炉的操作方法。

背景技术

近年来，由于二氧化碳排出量的增加使地球变暖成为问题，这在炼铁业中也成为重要的课题。针对该课题，在最近的高炉中推进低还原材料比(低RAR：Reduction Agent Ratio的省略，是指每制造1吨生铁时从风口吹入的还原材料与从炉顶装入的焦炭的总量)操作。高炉主要使用焦炭以及煤粉作为还原材料。因此，为了实现上述的低还原材料比与抑制二氧化碳排出量，认为提高上述煤粉的燃烧效率，并且降低在炉内产生的粉末量，来改善炉内的通气性的方法很有效。

对此，专利文献1提出了利用LNG(Liquefied Natural Gas)与煤粉的混合燃烧，来提高煤粉的燃烧率的方法。另外，专利文献2提出了通过使用挥发成分多的煤粉，利用其挥发成分来促进煤粉燃烧的方法。在专利文献3中提出了在风口内设置缩径部的处理方法。在专利文献4中提出了通过将固体还原材料和氧气同时从风口喷枪吹入，由此提高煤粉的燃烧性的方法。另外，在专利文献5中提出了以改善煤粉的燃烧率为目的而使用氧气时，升高该氧气的温度来提高煤粉的燃烧效率的方法。

专利文献1：日本特开2006-233332号公报

专利文献2:日本特开2002-241815号公报

专利文献3:日本专利第3644856号公报

专利文献4:日本专利第4074467号公报

专利文献5:日本特开平8-260010号公报

然而，在上述专利文献1中公开的使用LNG的方法，存在以下问题：LNG价格高，而且为了提高煤粉的燃烧率而需要大量的LNG。另外，在上述专利文献3公开的方法中，需要改造风口而导致设备成本增加。

与将挥发成分低的煤粉从风口吹入的方法相比，上述专利文献2所公开的高炉操作方法具有提高煤粉的燃烧率，降低还原材料单位消耗的效果。然而，在这样的方法中，虽然燃烧率有所提高，然而由于燃烧速度的上升而使燃烧点向炉壁侧移动，因此从炉壁的排热增加，使得高炉的热效率降低。另外，在该方法中，因气体的急剧膨胀而导致风口前端的压力损失上升，送风压力增大，从而使运转成本增加。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种不导致排热或压力损失，能够提高固体还原材料的燃烧率的高炉操作方法。

作为用于实现上述目的的方法，本发明提出一种高炉操作方法，从炉顶装入固体还原材料，另一方面还从风口经由喷枪吹入固体还原材料，所述高炉操作方法的特征在于，在从风口吹入的所述固体还原材料的吹入量相对于每吨生铁为150kg/t以上的情况下，使用双管喷枪作为所述喷枪，从其内管吹入所述固体还原材料，并从内管与外管之间吹入100℃以下的氧气，并且使用平均挥发成分为超过25质量％且50质量％以下的材料作为吹入用固体还原材料。

然而，如上所述，专利文献4提出了一种将固体还原材料(煤粉)和氧气同时从风口吹入高炉内，来提高该煤粉的燃烧性的方法。但在该方法中，使用的是挥发成分低的煤粉。这是由于挥发成分低的煤粉发热量高，所以若使用这样的低挥发成分的煤，则能够提高在炉下部的燃烧性，进而能够削减维持炉下部的温度所使用的焦炭。

然而，在从风口吹入相对于每吨生铁的煤粉吹入量(以下，称为“煤粉比”)为150kg/t以上的情况下，或者在焦炭强度[DI¹⁵⁰ ₁₅]为85％以下的情况下，由于炉内粉的增加比由吹入的煤粉发热对还原材料比的影响大，所以使用高挥发成分的煤粉更为有利。

另外，对于从高炉的炉顶部装入到高炉内的焦炭的强度，发明人们得到如下见解。在高炉操作中，焦炭强度越低，则由于炉内的负载、摩擦的影响，越容易产生15mm以下的焦炭粉。若该焦炭粉的量比在溶损反应(固体碳与二氧化碳反应而产生一氧化碳的反应)中消耗的量多，则该焦炭粉的一部分会堆积在炉下部的中心区域(以下，称为“炉芯”)。如果该焦炭粉的堆积量增加，则从风口吹入的热风不通过炉芯部，而是通过炉壁侧(以下，将该现象称为“偏流”)。这样若热风的流动向炉壁侧偏流，则从炉壁的排热量增加、产生还原气体与矿石的反应效率降低，从而导致还原材料比的增加。

此时，若从风口吹入的煤粉比增加，则流入炉内的未燃炭也会增加。若该未燃炭在溶损反应中优先被消耗，则在溶损中未被消耗而堆积于炉芯的上述焦炭粉的量增加。因此，在从高炉炉顶装入的焦炭的强度[DI¹⁵⁰ ₁₅[％]]为85以下、并且从风口吹入的煤粉的吹入量为150kg/t(生铁)以上的情况下，可通过改善煤粉的燃烧效率，使未燃炭向炉内流入的量降低，因此有利于还原材料比的降低。

另外，在上述专利文献5中阐述了提高氧气温度有利于煤粉的燃烧。然而，在考虑喷枪的持久性的情况下，若将氧气的温度设为高温，则如下文所述，喷枪的表面温度也升高，从而发生喷枪变形、溶损，成为煤粉的吹入不良、风口损耗等故障的原因。因此，从喷枪吹入的氧气的温度，优选调整到喷枪产生变形的温度以下。

由以上可得知，在本发明的上述高炉操作方法中，更优选采用以下的构成。

(1)从炉顶装入的所述固体还原材料是根据JIS K2151记载的试验方法测量出的强度[DI¹⁵⁰ ₁₅[％]]为85以下的焦炭，

(2)吹入用的所述固体还原材料采用含有10质量％以上的如下的固体还原材料，即，其中挥发成分为30质量％～60质量％固体还原材料，

(3)吹入用的所述固体还原材料为煤粉。

根据本发明的高炉操作方法，在上述煤粉比为150kg/t(生铁：以下省略)以上、并且从高炉的炉顶装入的焦炭的强度[DI¹⁵⁰ ₁₅[％]]为85以下的情况下，使用双管喷枪，从其内管吹入固体还原材料，并从内管与外管之间吹入100℃以下的氧气，此时由于使用平均挥发成分为超过25质量％且50质量％以下的材料作为该固体还原材料，因此不会导致从炉壁的排热、炉下部的压力损失，能够提高固体还原材料的燃烧率。其结果，如果采用本发明的方法，则能够实现高炉操作成本的降低，设备成本的降低等。

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视图。

图2是在从喷枪仅吹入煤粉时其燃烧状态的说明图。

图3是吹入煤粉时的燃烧装置的说明图。

图4是吹入挥发成分高的煤粉时的燃烧装置的说明图。

图5是同时吹入挥发成分高的煤粉和冷氧气时的燃烧装置的说明图。

图6是燃烧实验装置的说明图。

图7是表示燃烧实验结果中煤粉的挥发成分与燃烧效率的关系的曲线图。

图8是表示燃烧实验结果中煤粉的挥发成分与从炉壁排热的排热量的关系的曲线图。

图9是表示燃烧实验结果中煤粉的挥发成分与炉下部的压力损失的关系的曲线图。

图10是表示煤粉比与焦炭置换率的关系的曲线图。

图11是表示煤粉比与焦炭置换率的关系的曲线图。

图12是表示氧气温度与喷枪表面温度的关系的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的高炉操作方法的一个实施方式。图1是应用本实施方式的高炉操作方法的高炉1的整体图。该高炉1在炉腹部配置有风口3，在该风口3连接有用于吹送热风的送风管2。如图2所示，在该送风管2安装有用于吹入固体燃料等的喷枪4。在位于来自风口3的热风排出方向前方的炉内的焦炭堆积层部分，形成有被称为风口回旋区5的燃烧空间。铁水主要在该燃烧空间内生成。

图2是示意地表示从上述喷枪4通过风口3仅向炉内吹入作为固体还原材料的煤粉6时的燃烧状态的图。如该图所示，从喷枪4通过风口3吹入到风口回旋区5内的煤粉6的挥发成分、固定碳，与炉内堆积焦炭7共同燃烧，未燃烧尽而残留的碳与灰分的集合体即炭，作为未燃炭8从风口回旋区5排出。另外，在上述风口3的热风排出方向前方的该热风的速度约为200m/sec。另一方面，从喷枪4的前端部到达风口回旋区5内的距离、即O₂存在的区域约为0.3～0.5m。因此，吹入煤粉粒子的升温和该煤粉与O₂的接触(分散性)，实际上需要在1/1000秒这样的短时间内反应。

图3表示经由喷枪4仅向送风管2内吹入煤粉(图中的PC：Pulverized Coal)6的情况下的燃烧装置。从上述风口3吹入到风口回旋区5内的煤粉6的粒子，因来自风口回旋区5内的火焰的辐射导热而被加热，此外由于辐射导热、传导导热而使粒子温度急剧上升，从升温至300℃以上时开始热分解，对挥发成分点火燃烧(形成火焰)并达到1400～1700℃的温度。释放出挥发成分的煤粉成为上述炭8。该炭8主要由固定碳构成，因此碳溶解反应也与上述燃烧反应一起发生。

图4表示经由喷枪4挥发成分高的煤粉6吹入到送风管2内时的燃烧装置。这样在吹入挥发成分高的煤粉6的情况下，由于挥发成分增加，因此促进煤粉6的点火，并且由于挥发成分而引起燃烧量的增加。其结果，煤粉的升温速度和最高温度上升，该煤粉的分散性提高，并且因温度的上升而使碳的反应速度提高。此时煤粉6由于挥发成分的气化膨胀而分散，并且带来挥发成分的燃烧，借助其燃烧热，该煤粉自身迅速被加热而升温。另外，该情况下的煤粉的燃烧发生在靠近炉壁的位置，因此从风口3的排热和炉内的压力损失增大。

图5表示从上述喷枪4将挥发成分高的煤粉6和100℃以下的低温氧气(以下，称为“冷氧气”)同时吹入到送风管2内时的燃烧装置。这样若同时吹入挥发成分高的煤粉6和冷氧气，则由于该冷氧气的影响，煤粉的升温速度降低而延迟点火。然而，之后由于煤粉附近较高的氧气浓度，在挥发成分的燃烧速度提高的同时也促进煤粉的升温，该煤粉的温度上升，由此炭的反应速度上升。这样，当吹入冷氧气时，虽然最初煤粉的升温速度降低而延迟燃烧，但如上所述，由于煤粉附近的氧气浓度高，因此若煤粉的温度成为一定温度以上时，则煤粉立刻急剧燃烧，最终煤粉的燃烧效率反而提高。利用这样的装置，可实现燃烧率的提高、防止由延迟燃烧引起的从炉壁排热以及炉内压力损失的增大。即，通过将从喷枪4吹入的氧气的温度设为100℃以下，不仅可防止由于供给高温氧气时喷枪的变形、溶损、因急剧的燃烧引发的送风管2内的压力损失增大，还能够兼顾提高燃烧效率的作用和防止从炉壁排热的作用。

发明人们基于上述见解，使用模拟图6表示的高炉的燃烧实验装置进行了燃烧实验。在该实验装置中使用的实验炉11内部填充焦炭，并设置观察窗能够观察风口回旋区15的内部。而且，在该实验炉11中还安装有送风管12，能够将在外部设置的燃烧喷枪13产生的热风，经由该送风管12送入实验炉11内，并且能够调整送风中的富氧集量。另外，在该送风管12内插入喷枪14。该喷枪14用于将煤粉以及氧气的任意一方或者双方吹入该送风管12内。在实验炉11内产生的废气，经由被称为旋风分离器的分离装置16而被分为废气和粉尘，该废气送至助燃炉等废气处理设备，粉尘收集于收集箱17。

当使用上述装置进行燃烧实验时，使用单管喷枪和双管喷枪作为上述喷枪14。实验中分别对使用单管喷枪仅吹入煤粉的情况、和使用双管喷枪同时吹入煤粉和氧气的情况，测量燃烧率、风口排热、炉内压力损失等。从风口回旋区15的后方利用探测器回收未燃炭，并根据其重量变化求出燃烧率。使用的煤粉为固定碳(FC：Fixed Carbon)40～80质量％、挥发成分(VM：Volatile Matter)10～50vol.％、灰分(Ash)7～12质量％，吹入的条件为50kg/h(铁水单位消耗相当于158kg/t)。另外，从喷枪14吹入氧气的吹入条件为12Nm³/h(相当于氧富集3％)。焦炭按照JIS K2151中记载的试验方法，使用[DI¹⁵⁰ ₁₅[％]]为83的焦炭。送风的条件为送风温度：1200℃、流量：350Nm³/h、流速：80m/s、O₂富集为+3.7(对于氧气浓度24.7％、空气中氧气浓度21％而言，3.7％的富集)。

实验结果的评价为，对煤粉的挥发成分进行各种改变、并分别进行了以下评价：在从一支单管喷枪仅吹入煤粉(使用N₂作为介质)的情况下的燃烧率、从风口的排热以及炉内压力损失、以及使用双管喷枪同时吹入煤粉和氧气时的燃烧率、从风口排热、炉内压力损失。

图7表示吹入煤粉的挥发成分与燃烧率的关系。如该图所示，在从单管喷枪仅吹入煤粉(高挥发成分炭)的情况下，从该煤粉的挥发成分为25质量％起，燃烧率开始大幅度上升，在45质量％处为最大，在45质量％以上时燃烧效率提高的效果饱和。这被认为是因为挥发成分在45质量％以上时，由于挥发成分的燃烧而产生的热在送风时逸出，因此煤粉的升温所利用的热达到顶点，燃烧速度不会再继续上升。

与此相对，煤粉与燃烧率的关系，在使用双管喷枪同时吹入煤粉(高挥发成分炭)和冷氧气的情况下，与从单管喷枪仅吹入煤粉的情况相比，整体上燃烧率有所提高。这是由于煤粉附近的氧气浓度升高而使煤粉的燃烧速度上升。

图8表示煤粉的挥发成分与风口排热的关系。如该图所示，在从单管喷枪仅吹入煤粉的情况下，从炉壁的排热伴随着挥发成分的增加而增加。这被认为是由于挥发成分的增加而使煤粉的燃烧速度上升，燃烧点移至炉壁侧。

与此相对，上述的煤粉的挥发成分与风口排热的关系，在使用双管喷枪同时吹入高挥发成分的煤粉(高挥发成分炭)和冷氧气的情况下，与从单管喷枪仅吹入煤粉的情况相比，从炉壁的排热整体上降低。这是由于通过冷氧气来降低煤粉的升温速度，燃烧点移至炉内侧。

另外，以如下方式准备在上述实验中使用的冷氧气(从喷枪吹入的100℃以下的氧气)。即，从喷枪吹入的该冷氧气，使通过深冷分离处理所得到的材料在喷枪部分成为20℃以下来使用。另外，由于喷枪的前端部分插入到高温的送风管2内，所以受到送风管2内的热风、来自送风管2的壁面的热影响。因此，虽然从喷枪吹入的氧气的温度不可避免地上升，但将通过深冷分离所得到的氧气保持低温度的状态供给至喷枪，因此其结果能够使从喷枪吹入的氧气的温度为100℃以下。另外，通过调整喷枪插入送风管2内的深度，也能够调整从喷枪供给的氧气的温度。在通过调整该喷枪的插入深度而能够将从喷枪吹入的氧气的温度调整为100℃以下的情况下，无需使向喷枪供给的氧气温度为20℃以下。

图9表示吹入煤粉的挥发成分与炉内压力损失的关系。如该图所示，在从单管喷枪仅吹入煤粉的情况下，炉下部的压力损失随着挥发成分的增加而降低，直到挥发成分达到29质量％为止，在29质量％以上时，炉下部的压力损失随着挥发成分的增加而增加。这是由于在挥发成分达到29质量％之前，因未燃粉降低而使炉内的通气性提高，而挥发成分为29质量％以上时，燃烧气体偏向炉壁流动。

与此相对，煤粉的挥发成分与炉内压力的关系，在使用双管喷枪而同时吹入高挥发成分的煤粉和冷氧气的情况下，与使用单管喷枪仅吹入煤粉的情况相比，炉下部的压力损失整体上降低，特别是在吹入挥发成分为30质量％以上的煤粉时维持较低的压力损失。这是由于利用冷氧气降低煤粉的升温速度，通过使燃烧点移至炉内侧来抑制气体的偏流。因此可知，在平均挥发成分为25～50质量％的固体还原材料(煤粉)中，通过将挥发成分为30～60质量％的固体还原材料(煤粉)按照重量比例混合10％以上，从而可切实地得到降低压力损失的效果。

图10以及图11表示煤粉比与焦炭置换率的关系。其中，所谓焦炭置换率是指：在高炉操作中在使煤粉比增加1kg/t的情况下能够降低的焦炭比(kg/t)。所有的煤粉比的增加都会降低焦炭置换率，但这是由于通过增加炉内的煤粉的未燃粉，来增加堆积于炉芯的焦炭粉的量，炉内气体偏向炉壁侧流动，使得炉的反应以及热交换效率降低。

如图10所示，在装入高炉内的焦炭的强度[DI¹⁵⁰ ₁₅[％]]为85以下的情况下，从风口吹入的煤粉比为150kg/t以下，煤粉对于焦炭的置换率维持为较高，但若该煤粉比超过150kg/t，则煤粉对于焦炭的置换率降低。即，在煤粉比超过150kg/t时，若使用本发明所说的平均挥发成分超过25质量％的煤粉(固体还原材料)，则焦炭置换率能够维持得较高。这意味着在煤粉比小、即炉内气体不偏流的条件下，不会促进炉壁侧、即在风口附近的煤粉的燃烧，因此即使煤粉的挥发成分大，由于在风口附近的热量小，因此焦炭置换率会减小。

与此相对，在煤粉比大、即炉内气体偏流的条件下，由于不会促进炉壁侧、即在风口附近的煤粉的燃烧，因此煤粉的挥发成分越大则燃烧率越大，由此未燃粉降低，结果由于抑制炉内气体的偏流，因此焦炭置换率的降低移至高煤粉比侧。

另一方面，如图11所示，当焦炭强度[DI¹⁵⁰ ₁₅[％]]为85以上时，通常情况下，煤粉的平均挥发成分为超过25质量％的焦炭置换率大于25质量％以下的焦炭置换率。这是因为焦炭强度[DI¹⁵⁰ ₁₅[％]]越大，则炉内的焦炭粉的比例越小，由于抑制炉内气体的偏流，所以改善燃烧率的效果降低。另外，图10、图11都表示本发明所述的使用冷氧气时的煤粉比与焦炭置换率的关系。

图12表示从喷枪吹入的氧气的温度与喷枪表面温度的关系。由该图可明确得知，随着氧气的温度上升，喷枪表面温度也增加。在该情况下，当使用双管喷枪时，若该双管喷枪的表面温度超过880℃，则会发生徐变变形而弯曲，也会发生喷枪的溶损。另外，若从喷枪吹入的氧气的供给温度超过100℃，则喷枪的表面温度超过880℃，所以可能会发生喷枪的变形或溶损。因此需要将从喷枪吹入的氧气的温度设为100℃以下。

如以上说明的那样，按照本发明的高炉操作方法，在从风口吹入煤粉(固体还原材料)的情况下，将喷枪设为双管，从内管吹入煤粉(固体还原材料)，从内管与外管之间吹入100℃以下的氧气，并且由于通过喷枪吹入的煤粉(固体还原材料)使用平均挥发成分为超过25质量％且50质量％以下煤粉，因此不增加排热和压力损失，能够提高煤粉(固体还原材料)的燃烧率，进而能够提高焦炭置换率。

附图标记说明：1…高炉；2…送风管；3…风口；4…喷枪；5…风口回旋区；6…煤粉(固体还原材料)；7…焦炭；8…炭。

Claims

1.一种高炉操作方法，从炉顶装入固体还原材料，另一方面还从风口经由喷枪吹入固体还原材料，所述高炉操作方法的特征在于，

在从风口吹入的所述固体还原材料的吹入量相对于每吨生铁为150kg/t以上的情况下，使用双管喷枪作为所述喷枪，从其内管吹入所述固体还原材料，并从内管与外管之间吹入100℃以下的氧气，并且使用平均挥发成分为超过25质量％且50质量％以下的材料作为吹入用固体还原材料，

吹入用的所述固体还原材料采用含有10质量％以上的如下的固体还原材料，即，其中挥发成分为30质量％～60质量％固体还原材料。

2.根据权利要求1所述的高炉操作方法，其特征在于，

从炉顶装入的所述固体还原材料是根据JIS K2151记载的试验方法测量出的强度[DI¹⁵⁰ ₁₅[％]]为85以下的焦炭。

3.根据权利要求2所述的高炉操作方法，其特征在于，

吹入用的所述固体还原材料为煤粉。