CN113999945A - 高炉的操作方法 - Google Patents

Abstract

提供一种能够大幅度削减CO₂排出量、并且在商业高炉中能够长期且稳定地制造生铁的高炉的操作方法。一种高炉的操作方法，所述高炉从炉顶装入铁矿石和焦炭、从常规风口吹入粉煤，所述操作方法的特征在于，将含有氢气和烃中的至少任一方的气体与所述粉煤一起从所述常规风口吹入，并且，从高炉的炉顶排气中除去二氧化碳和水蒸气后，从炉身部风口向炉内吹入该炉顶排气。

Description

高炉的操作方法

本申请是申请号为201580003888.7、发明名称为“高炉的操作方法”、申请日2015年1月6日、进入中国国家阶段日期为2016年7月6日的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及高炉的操作方法。特别是涉及对于下述(1)～(3)的情形的高炉的操作方法：(1)从常规风口吹入氢气含有率高的气体；(2)从常规风口或设置于炉中段部的风口吹入炉顶排气；以及，(3)在从常规风口吹入氢气含有率高的气体和炉顶排气时，使所送的风的富氧率为10％以上40％以下。

背景技术

对于高炉中的生铁制造，以焦炭为首的碳材料是必需的，但减少每吨生铁的碳材料使用量(以下称为“还原材料比”)是改善制造成本的主要课题，一直以来孜孜不倦地进行着这方面的努力。

例如，专利文献1的目的是通过尽可能地增大在以往的高炉操作中不能够使用的粗粉煤的使用量来降低成本。在专利文献1中公开了一种高炉操作方法，在将氧浓度为40％以上的气体以常温从风口吹入的操作中，将粉煤之中+2mm的粗粉煤为5～30％、最大粒度为5mm的粉煤从风口或风口附近吹入炉内。

另外，在专利文献2中，通过调节从高炉炉身部风口吹入的炉顶排气与被吹入到炉床部风口中的炉顶排气之比，使高炉的热需要量和热供给量以最佳状态一致，与众所周知的数值相比，能够显著改善焦炭消耗量和装入效率。

另外，专利文献3公开了一种高炉操作方法，通过将燃料气体与粉煤一起从高炉的风口部吹入，来确保粉煤的燃烧性，谋求生产率提高和燃料比(与还原材料比同义)降低。

另外，在专利文献4中，将以稳定的高生产率进行高炉操作作为目的，公开了一种高炉操作方法，通过从风口吹入氧浓度为30％以上且低于100％的送风气体、并且从高炉中段的炉身部吹入预热气体，来大量使用粉煤。

通过如上所述的各种技术革新，操作效率飞跃性地提高，已达到每吨生铁的碳材料使用量低于500kg的水平。

除了这样的高炉操作中的还原材料比降低等的改善制造成本这一课题以外，近年来还广泛要求削减作为地球温室化的主要原因的温室效应气体之一即二氧化碳(CO₂)的排出量。在CO₂排出量方面，作为主要的产业之一的钢铁业必须应对该社会性要求，在钢铁制造中使用大量的碳材料的高炉操作中的进一步削减已成为当务之急。

日本钢铁业界设立自主行动目标，一直在努力削减CO₂排出量，但目光更长远的技术开放已迫在眉睫。

可是，专利文献1～4都没有将削减CO₂排出量作为主要的课题，根本性地削减CO₂产生量的功能并不充分。

这样，就成为了下述状况：只要立足于以往的操作方式，即使着眼于热效率方面，也不会看到进一步大幅度降低碳消耗量的余地。

鉴于这样的状况，想要大幅度削减高炉操作中的碳消耗量的技术开发在欧州不断进展。即，在被称为ULCOS的项目中正在开发一种高炉工艺，该高炉工艺以氧气高炉为基础，组合CO₂分离回收技术，从炉顶排气中分离CO₂后，进行再加热，从在高炉中段的炉体侧壁新设置的风口、或常规风口再次吹入到炉内(非专利文献1)。

图1中示出了所述ULCOS的高炉工艺流程。是被认为高炉碳消耗量的削减效果最高的工艺流程。与通常的高炉操作大不相同的特征是：(1)作为从常规风口输送的风，不使用高温空气而是吹入常温的氧气和粉煤；(2)进行“封闭的气体循环”，即，将炉顶排气的几乎总量进行CO₂分离后吹入到高炉中；以及，(3)在将所述炉顶排气的循环气体从常规风口吹入时也加热至高温。再者，在图1的高炉工艺流程中，矿石的间接还原率高达89.7％，相对于通常操作时的每1吨生铁(1tHM)的碳(C)投入量289kg/tHM，实现了28％的碳削减率。另外，从炉顶排气中分离CO₂是采用Vacuum Pressure Swing Adsorption法进行的，图1中的“Vol.”表示标准状态下的气体的量。

这些特征，在应用于商业高炉上存在严重的风险。即，所述(1)为了将风口前燃烧带的温度维持为适当的值而需要吹入大量的粉煤。根据ULCOS项目的报告，粉煤比(每1吨生铁的粉煤使用量)达到300kg/tHM，其结果，焦炭比降低至200kg/tHM以下，在只在大约270kg/tHM以上的焦炭比下才具有操作实际成绩的现状的高炉操作技术中，不能够容易地建立稳定的操作状态。而且，送风氧气为常温，没有由送风所致的显热投入，因此假如由于操作不顺利而陷入炉冷的情况下，存在无法使炉内迅速生热、难以重新进行操作这样的问题。另外，所述(2)的“封闭的气体循环”操作，存在使气相中所含的微量元素(例如硫分等)在高炉工艺内循环而浓缩的危险性，能否长期地维持稳定操作是个问题。

这样，ULCOS项目的目标的高炉工艺，即使能够实现短期的实验操作基准，也难以适用于必须使生铁制造稳定且长期地继续下去的商业高炉。

另一方面，有通过使氢气承担高炉操作中的碳的作用之一即还原功能来削减碳使用量的方法。即，是将天然气和/或焦炉气(以下记为“COG”)等含氢气的还原性气体吹入高炉的操作，但涉及这样的操作方法的发明有很多，尤其是公开了以削减高炉的CO₂排出量为目的，将从炉顶排气中分离出的CO₂和CO的混合气体改性为甲烷(CH₄)，并将改性后的气体再次吹入高炉中的方法(专利文献5)。

该方法从炉顶排气中分离回收CO₂(和/或CO)，向其添加H₂而转换处理成为CH₄后，再次吹入高炉中，但存在下述课题：需要新增CH₄转换装置；仅吹入CH₄并不能充分削减高炉的碳消耗量，不能说能充分应对上述的削减CO₂排出量的社会性要求。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特公平5-86444号公报

专利文献2：日本特公昭52-32323号公报

专利文献3：日本特开平5-179323号公报

专利文献4：日本特开昭63-57704号公报

专利文献5：日本特开2011-225969号公报

非专利文献

非专利文献1：“Final Evaluation of the Ulcos TGR-BF Pilot TestsPerformed at the LKAB Experimental Blast”,Pettrsson Mikael,Silkstrom Peter,Eklund Nicklas,Proceedings of 6th ICSTI(2012),p960

发明内容

在已有的操作技术的范围内使高炉的碳消耗量大幅度降低是很重要的。另外，存在的课题是提供即使是万一发生了炉冷故障的情况也能够迅速恢复，而且不存在微量元素在高炉工艺内发生循环浓缩的危险性，能够进行稳定的生铁制造的高炉操作方法。

本发明的目的是提供能大幅度削减CO₂排出量、并且在商业高炉中能够长期且稳定地制造生铁的高炉的操作方法。

本发明人发现：通过从常规风口吹入氢气含有率高的含CH₄的气体；从设置于炉中段部的风口(以下记为“炉身部风口”)将除去了氧化物成分和H₂O的炉顶排气吹入；以及，在从常规风口吹入氢气含有率高的含CH₄的气体、以及除去了氧化物成分和H₂O的炉顶排气时，使从常规风口吹入的送风的富氧率为10％～40％，由此能够大幅度削减CO₂排出量并且长期且稳定地进行高炉操作。再者，所谓常规风口，是设置在比所述炉身部风口靠下侧的炉下段部，将粉煤等辅助燃料与热风一起吹入高炉内的风口。

本发明是基于该见解为解决上述课题而完成的，其主旨如下。

(1)一种高炉的操作方法，所述高炉从炉顶装入铁矿石和焦炭、从常规风口吹入粉煤，所述操作方法的特征在于，将含有氢气和烃中的至少任一方的气体与粉煤一起从常规风口吹入，并且，从炉身部风口向炉内吹入从高炉的炉顶排气除去二氧化碳和水蒸气后的气体。

(2)根据(1)所述的高炉的操作方法，其特征在于，还从常规风口向炉内吹入从高炉的炉顶排气除去二氧化碳和水蒸气后的气体。

(3)根据(1)或(2)所述的高炉的操作方法，其特征在于，从常规风口吹入的气体，富氧化至富氧率为10％以上、且下述式所示的Y％以下。

Y＝0.079×CH₄+32

(式中的CH₄表示从常规风口吹入的气体中的甲烷的体积％。)

(4)根据(1)～(3)的任一项所述的高炉的操作方法，其特征在于，含有氢气和烃中的至少任一方的气体的吹入量为30Nm³/tHM以上。

(5)根据(1)～(4)的任一项所述的高炉的操作方法，其特征在于，从炉身部风口吹入的炉顶排气，是以600℃以上1000℃以下的温度、且400Nm³/tHM以下的吹入量从炉身部风口吹入的。

(6)根据(1)～(5)的任一项所述的高炉的操作方法，其特征在于，从炉身部风口向炉内吹入的炉顶排气的吹入量为100Nm³/tHM以上。

(7)根据(1)～(6)的任一项所述的高炉的操作方法，其特征在于，从常规风口吹入的含有氢气和烃中的至少任一方的气体含有甲烷。

(8)根据(7)所述的高炉的操作方法，其特征在于，含有甲烷的气体包含焦炉气和天然气中的至少一种。

另外，在上述(1)～(8)的方法中，从常规风口不加热而吹入所述炉顶排气，并且提高从常规风口输送的风的富氧率。

本发明能够提供大幅度削减CO₂排出量、并且能够在商业高炉中长期且稳定地制造生铁的高炉的操作方法。

附图说明

图1是表示ULCOS的高炉工艺流程的图。

图2是表示从常规风口吹入的气体(COG以及天然气)的单耗(Nm³/tHM)与碳的单耗(kg/tHM)的关系的图。

图3是表示(要件A+要件B)工艺的概要的图。

图4是表示在(要件A+要件B)工艺中，将从常规风口吹入的COG的单耗设为95(Nm³/tHM)时，与从炉身部风口吹入循环气体相伴的碳的单耗(kg/tHM)的变化的图。

图5是表示对于进行没有要件B的标准操作的高炉，从常规风口追加地吹入了粉煤、COG或天然气中的任一方的情况下的碳的单耗(kg/tHM)，以及在(要件A+要件B)工艺中从常规风口追加地吹入了粉煤、COG或天然气中的任一方的情况下的碳的单耗(kg/tHM)的图。

图6是表示(要件A+要件B+要件C)工艺的概要的图。

图7是表示在(要件A+要件B+要件C)工艺中，将从常规风口吹入的COG的单耗设为95(Nm³/tHM)的情况下的高炉的操作指标间的关系的图。图7(A)表示富氧率与碳的单耗(kg/tHM)的关系。图7(B)表示富氧率与焦炭比(kg/tHM)的关系、以及富氧率(％)与从常规风口吹入的循环气体的吹入量(Nm³/tHM)的关系。图7(C)表示富氧率与炉顶排气的循环气体比率(％)的关系。

图8是表示在(要件A+要件B+要件C)工艺中，将从常规风口吹入的天然气的单耗设为95(Nm³/tHM)的情况下的高炉的操作指标间的关系的图。图8(A)表示富氧率与碳的单耗(kg/tHM)的关系。图8(B)表示富氧率与焦炭比(kg/tHM)的关系、以及富氧率(％)与从常规风口吹入的循环气体的吹入量(Nm³/tHM)的关系。图8(C)表示富氧率与炉顶排气的循环气体比率(％)的关系。

图9是表示在(要件A+要件B)工艺中使从常规风口吹入的COG量变化，而且，作为要件C工艺，从常规风口不加热地吹入炉顶排气，并且，增加了从常规风口输送的风的富氧率的情况下的所述COG量与碳的单耗的关系的图。

图10是表示在(要件A+要件B)工艺中使从常规风口吹入的天然气量变化，而且，作为要件C工艺，从常规风口不加热而吹入炉顶排气，并且，增加了从常规风口输送的风的富氧率的情况下的所述天然气量与碳的单耗的关系的图。

具体实施方式

要削减生铁制造工序中的CO₂排出量就必须减少高炉中生铁制造所需的碳投入量。如上所述，高炉中的碳的主要作用是用于铁矿石(以下，作为包括将铁矿石进行成块处理而成的烧结矿和粒料等在内的铁源原料的总称使用)的还原和熔化的热量供给，但在本发明中，通过将用于还原的一部分从碳这种还原材料替换成氢气来谋求碳消耗量的削减。

但是，在仅通过从炉顶装入原料和从常规风口送风的操作而自律性地形成的炉内温度场下进行铁矿石的还原和熔化的高炉操作中，只是单纯地从常规风口吹入氢气含有率高的气体的话，并不容易维持稳定的生铁制造，更难以实现彻底的碳消耗量的削减。

因此，本发明人着眼于通过将以下要素技术附加于已有的高炉操作技术来谋求克服问题。即，着眼于以下的要件(A)～(C)。

(A)从常规风口吹入含有氢气和烃中的至少任一方的气体。

在矿石的气体还原速度上，H₂气体比CO气体有优势。尽可能地向高炉内吹入含有CH₄等的较多地含有氢的烃和氢气中的至少任一方的气体。

(B)将除去了CO₂等氧化物成分和水蒸气(H₂O)的炉顶排气加热，并从炉身部风口吹入。

从炉顶排气中除去所述氧化物成分和水蒸气，来制造具有还原能力的气体的比率高的炉顶排气，并将炉顶排气再利用。将所述炉顶排气加热到适当的温度，再次从炉身部风口吹入高炉内(以下称为“炉顶排气循环”)，由此能够提高炉内还原气体的利用率。

(C)从常规风口不加热而吹入炉顶排气，并且，增加从常规风口输送的风的富氧率。

从常规风口吹入炉顶排气时，将由于在风口前燃烧带的燃烧而产生的气体的理论的温度(以下简记为“风口前温度”)维持在适当的范围是很重要的。因此，期望不对炉顶排气进行加热，并使从常规风口吹入的送风的富氧率为10％以上40％以下。其结果，能够将风口前温度维持在适当的范围、并且使炉内气体中的还原气体成分增加。而且，不需要增加用于调整风口前温度的粉煤吹入量，能够避免焦炭比的极端降低。

再者，富氧率(％)的值X表示氧浓度比通常送风富化的程度。例如氧浓度比通常送风(空气(氧浓度约为21％))富化的程度由以下的式子表示。

X(％)＝(0.21×Vb/60+Vo/60)/(Vb+Vo/60)×100-21

Vo：氧气流量(Nm³/h)

Vb：包括炉顶排气的流量在内的从常规风口的总送风量(Nm³/分钟)

在此，出铁比直接依赖于向高炉吹入的氧气量(称为“送风氧量”)，在出铁比恒定的条件下使富氧率上升的情况下，为了使送风氧量恒定，一般进行降低送风量的调整。

进而，富氧率的上限值受到喷枪有无熔损的制约，也根据吹入的气体的组成而变化。

即，根据吹入的气体的组成，导致由温度上升造成的喷枪熔损的富氧率的上限(Y％)不同，其大致与作为气体中的冷却介质的CH₄相对于气体组成的含有率成比例，本发明人确认出其关系由下式表示。

Y＝0.079×CH₄+32

其中，Y：富氧率(％)的上限；式中的CH₄：吹入的气体中所含有的甲烷的体积％。

再者，如果使富氧率过量，则不仅有发生喷枪熔损的可能性，而且回旋区(raceway)内的燃烧焦点过度地向壁侧移动，会招致向炉芯的传热不足、壁侧的热损失增大，装入物的效果也有时不稳定。

通过应用以上的要件，能够达到本发明的目的。

实施例

下面，对本发明的实施例进行说明，但本发明并不限于此。

基于高炉数值分析技术实施高炉操作模拟，研究了本发明的效果。所述模拟，使用了例如K.Takatani,T.Inada,and Y.Ujisawa：ISIJ International,39,(1999),p15等中所示的所谓“高炉数学模型”。

[实施例1]

在实施例1中，首先，对上述要件A“从常规风口吹入含有氢气和烃中的至少任一方的气体”进行了详细调查。

表1是将粉煤从常规风口吹入的高炉(炉内容积为5300m³)的操作时的标准的规范值。对此，考虑吹入氢气含有率高的含有CH₄的气体的操作。如果将CH₄升温至800℃以上则会热分解而生成氢气，该氢气作为还原剂发挥作用，因此可得到削减碳使用量的效果。

在所述含有CH₄的气体中，不仅含有氢气，还以CH₄等烃的状态大量地含有氢，因此能够承担还原材料功能。此时，期望含有浓度为25％以上的CH₄。原因是因为，在CH₄浓度低于25％的情况下，即使增加富氧率，也会由于在风口前燃烧带的燃烧而使调整风口前温度的功能降低，由要件(B)和(C)带来的提高炉内还原气体的利用率的效果变得不充分。

作为所述含有CH₄的气体，可以采用氢气含有率高的COG、CH₄含有率高的天然气、或城市煤气、页岩气、将这些气体以任意比例混合而成的合成气体等的含有CH₄的现有的气体。COG的组成，根据废气处理和/或炼焦炉操作条件而变化，根据各炼铁厂而不同，其组成范围大约为CH₄：25～38％、H₂：47～59％的范围。

表1

(带*的项目，在以后的操作模拟中设为固定值)

然而，为了使铁矿石还原、熔化，高炉内保持为高温的还原性气氛，但如果向其中吹入所述COG或天然气等含有CH₄的气体，则烃成分热分解而产生煤尘，填埋焦炭块等碳源以及烧结矿块等的填充粒子之间的空隙，因此存在使炉内的通气性恶化的危险。因此，期望向在高炉内唯一形成有氧化性气氛的常规风口前的燃烧区域吹入。即，期望将COG或天然气等含有CH₄的气体与热风和/或粉煤一起从常规风口吹入。

COG或天然气的组成，根据作为原料的煤、或原产地而存在一些差别，但在操作模拟时，作为各自的代表值使用了表2-1和表2-2所示的值的含有率。而且，操作规范的预测计算，采用使粉煤比恒定、并调整焦炭比和送风量以使得成为表1所示的出铁量、铁水温度的方法进行。另外，前提是对于在操作设计上经验性地被重视的风口前温度也通过调整富氧率来保持为恒定。

表2-1

表2-2

	碳(重量％)	氢(重量％)
			粉煤的组成	82	4

将在表2-1和表2-2的条件下通过高炉操作模拟而得到的、从常规风口吹入的气体(COG和天然气)的单耗(Nm³/tHM)和碳的单耗(kg/tHM)的关系示于图2。在此，所谓碳的单耗(kg/tHM)是碳消耗量的单耗，是指藉由焦炭、粉煤、COG或天然气而投入的碳的每1吨生铁的量，是与随着生铁制造的CO₂排出量直接关联的量。根据该图可知，随着增加COG的单耗或天然气的单耗，碳消耗量减少。这是由于，COG和/或天然气中大量含有的氢有助于铁矿石的还原，因此抑制了碳的所需量。

在实施例1中，进一步对于在上述要件A的基础上附加了上述要件B“将除去了氧化物成分和水蒸气的炉顶排气加热，并从炉身部风口吹入”的高炉的操作进行了详细调查。

图3表示(要件A+要件B)工艺的概要。

从高炉炉顶排出的炉顶排气的主要成分是CO、CO₂、H₂、N₂和H₂O(水蒸气)，但水蒸气在现有的排气清洁处理的过程中被冷却、除去。另一方面，CO₂残留在炉顶排气之中，但如果将其除去，则炉顶排气对矿石的还原能力大幅度恢复。从气体中分离回收CO₂的技术已经开发，因此可以通过将现有的分离回收CO₂的技术导入高炉工艺系统中来实施所述(要件A+要件B)工艺。

除了将氧化物成分和H₂O除去了的炉顶排气以外，还可以从炉身部风口吹入氢气含有率高的高温气体。

COG在炼铁厂内容易供应，因此期望使用COG。但是，由于如果向炉身部风口吹入CH₄则会析出煤从而阻碍铁矿石的还原，因此期望吹入针对CH₄的含量等进行了改性的COG。改性后的COG的组成，例如为H₂：68％、CH₄：5％、C₂H₄：1％、CO：17％、N₂：2％、H₂O：7％。为了确保从炉身部风口吹入的炉顶排气的还原能力，该气体的温度期望设为750℃以上。进而，为了提高具有还原能力的成分的比率，期望将改性后的COG除湿而吹入。

为了调查(要件A+要件B)工艺的效果，进行了模拟，所述模拟是在从常规风口吹入粉煤，并且进行COG或天然气的吹入的条件下，预测从炉身部风口吹入除去CO₂、H₂O后的炉顶排气的效果。在此，除去CO₂、H₂O后的炉顶排气向高炉内的吹入位置，设为活跃地进行气体还原的场所是有效的。设为与在表1所示的通常操作时计算出的炉内温度1100℃相对应的位置。现有高炉在这样的场所没有吹入口，因此新设置炉身部风口。

所述模拟在表3的条件下进行了炉顶排气循环。表3中，所谓“循环气体”意指在模拟中使用的炉顶排气循环的循环气体。操作时的规范的预测值，与表1的情况同样地为标准的规范值。

表3

来自炉身部风口的炉顶排气循环比率	0～30％
		来自炉身部风口的循环气体的吹入量	100～600Nm<sup>3</sup>/tHM
来自炉身部风口的循环气体的吹入温度	400～1000℃
		来自常规风口的COG吹入量	95Nm<sup>3</sup>/tHM

图4是通过在表3的条件下进行炉顶排气循环的所述操作模拟而得到的图，表示将从常规风口吹入的COG的单耗固定为95(kg/tHM)的情况下的、与从炉身部风口吹入的循环气体的吹入量的增加相伴的碳的单耗(kg/tHM)的变化。

由图4可知，通过增加从炉身部风口吹入的循环气体的吹入量，能够削减碳的单耗(kg/tHM)。即，藉由循环气体而再次投入到炉内的碳成分，不是从高炉系统外投入的碳，因此基于本发明的炉顶排气循环，能够提高还原气体的利用效率、削减碳的单耗(kg/tHM)。

但是，如果过度增加从炉身部风口吹入的循环气体的吹入量，则由循环气体带来的削减高炉碳投入量的效果显现出饱和倾向。可以理解为其原因是即使超过所需地增加炉内的还原性气体，铁矿石的还原反应速度也无法跟上。另一方面，在炉内物流面，过量的炉内的还原性气体提高引起由炉内填充层的流动化、压力损失增加导致的窜气现象的危险。因此，在本发明的应用条件中，为了切实地实现削减高炉碳投入量的效果、且避免阻碍稳定操作，优选将循环气体的吹入量的下限设为100Nm³/tHM、将循环气体吹入量的上限设为400Nm³/tHM。

进而，图4中也示出了对于从炉身部风口吹入的循环气体向炉内的吹入温度的影响进行调查的结果。根据图4，从炉身部风口吹入的循环气体的温度越高，碳的单耗(kg/tHM)的削减效果越高。这除了有助于再利用还原性气体的效果以外，还有助于藉由循环气体的显热而增加向高炉的投入热量的效果。但是，应该注意的是，如果循环气体的温度大约低于600℃，则几乎不显现碳的单耗(kg/tHM)的削减效果。该现象的原因是如果使吹入温度过度低下，则除了显著降低高炉内的温度分布以外还使还原反应的进行钝化的不良影响变得显著。

因此，在进行炉顶排气循环时，循环气体从炉身部风口向高炉内吹入时的温度，期望至少为600℃以上，另外，关于上限温度，期望抑制为不存在使炉内的铁矿石熔化从而妨碍气体还原进行的危险的1000℃以下。

为了进一步调查(要件A+要件B)工艺的效果，调查了在(要件A+要件B)工艺中，从常规风口仅吹入粉煤、吹入COG和粉煤、吹入天然气和粉煤的情况下的碳的单耗(kg/tHM)的变化。

首先，对于在表1所示的规范下进行标准的操作的高炉，以使得从常规风口投入的还原性物质量(碳C和氢气H₂的合计值)大致恒定的方式，在表4所示的条件下进行从常规风口分别吹入COG、天然气以及粉煤的操作。比较了在400Nm³/tHM、800℃的条件下进行来自炉身部风口的炉顶排气循环时的碳的单耗(kg/tHM)的减少量。此时，调整了将所述COG、天然气以及粉煤从常规风口向高炉内吹入的送风的富氧率，以使得风口前温度为恒定。

表4

	吹入量(※)	还原性物质投入量	还原性物质中H<sub>2</sub>含有率
				粉煤	84kg/tHM	7.4kmol/tHM	23mol％
COG	95Nm<sup>3</sup>/tHM	7.3kmol/tHM	71mol％
				天然气	50Nm<sup>3</sup>/tHM	6.7kmol/tHM	67mol％

(※)：在表1的粉煤比146kg/tHM上追加的吹入量

将上述操作的结果示于图5。图5示出了对于进行没有要件B的标准操作的高炉，从常规风口追加地吹入粉煤、COG或天然气的任一方的情况下的碳的单耗(kg/tHM)，以及对于在(要件A+要件B)工艺中进行标准的操作的高炉，从常规风口追加地吹入粉煤、COG或天然气的任一方的情况下的碳的单耗(kg/tHM)。在图5中明确地显现出下述效果：通过将从常规风口吹入氢气含有率高的COG、和/或天然气的操作与所述的炉顶排气循环组合，碳的单耗(kg/tHM)降低。该效果是由在铁矿石的还原中H₂气体与CO气体相比反应速度大这一特性带来的，表明利用这样的特性的要件B在要件A下表现出特别的效果。

这样，本发明中的炉顶排气循环在(要件A+要件B)下发挥特别的效果。即，在从常规风口吹入氢气含有率高的COG、和/或天然气的操作中，来自炉身部风口的炉顶排气循环，在削减碳的单耗(kg/tHM)方面特别有效。

[实施例2]

接着，对于在上述的(要件A+要件B)的基础上，进一步附加了要件C“从常规风口不加热而吹入炉顶排气，并且增加所送的风的富氧率”的高炉的操作进行研究。

图6表示(要件A+要件B+要件C)工艺的概要。

本发明的要件C，在(要件A+要件B)下进一步促进碳的单耗(kg/tHM)的降低。通过将要件C组合进来，能够将高炉的风口前燃烧场的燃烧条件维持在适当的范围，并且能够将焦炭比改善为能够采用以往的操作技术操作的水平。

如上所述，富氧率的上限值受到喷枪有无熔损的制约，也根据吹入的气体组成而变化。

在从风口吹入含有37％的CH₄的COG的本实施例中的情形下，富氧率为35％时，喷枪外部的温度过度上升，招致了喷枪熔损。另一方面，在从风口吹入含有约100％的CH₄的天然气的后述的实施例3中的情形下，富氧率为40％时，发生了喷枪熔损。

这样，根据吹入的气体的组成，导致由温度上升造成的喷枪熔损的富氧率的上限(Y％)不同，其大致与作为气体中的冷却介质的CH₄相对于气体组成的含有率成比例，其关系由下式表示。

Y＝0.079×CH₄+32

其中，Y：富氧率(％)的上限；CH₄：吹入的气体中所含有的CH₄的体积％。

在表5所示的条件下进行从常规风口吹入含有COG的气体的操作，在风口前温度恒定的条件下，调查了与富氧率(10％～35％)相关的碳的单耗(kg/tHM)的变化。再者，炉身部风口设置于高炉中段部，将来自炉身部风口的循环气体吹入量设为200Nm³/tHM以及400Nm³/tHM，将来自炉身部风口的循环气体吹入温度设为800℃。另外，在本实施例中，来自常规风口的粉煤的吹入量设定为与表1所示的值相同。

表5

COG的吹入量(常规风口)	COG 95Nm<sup>3</sup>/tHM
		循环气体的吹入量(炉身部风口)	200Nm<sup>3</sup>/tHM；400Nm<sup>3</sup>/tHM
循环气体的吹入量(常规风口)	将风口前温度维持为2155℃所需要的量
		循环气体的吹入温度(炉身部风口)	800℃
循环气体的吹入温度(常规风口)	常温(25℃)
		富氧率(常规风口)	15～40％

图7表示在表5的条件下的(要件A+要件B+要件C)工艺中，将从常规风口吹入的COG的单耗设定为95(Nm³/tHM)的情况下的高炉的操作指标间的关系。图7(A)是富氧率(％)与碳的单耗(kg/tHM)的关系。随着使富氧率增加，炉内气体中的N₂(氮)气体的比率减少，另一方面，还原性成分、即H₂、CO的浓度增加，因此本发明的要件B即炉顶排气循环操作的效果增大。图7(B)表示富氧率(％)与焦炭比(kg/tHM)的关系、以及富氧率(％)与从常规风口吹入的循环气体的吹入量(Nm³/tHM)的关系。通过从常规风口以常温适量吹入循环气体的一部分，能够不增加粉煤比而维持风口前温度，能够将焦炭比改善为现状的能够稳定操作的范围即270kg/tHM以上、并且将高炉的碳的单耗(kg/tHM)削减至大约380kg/tHM左右。这相对于表1的通常操作时相当于约9％的削减。

图7(C)是富氧率(％)与炉顶排气的循环气体比率(％)的关系。所谓炉顶排气的循环气体比率(％)，是指来自常规风口和炉身部风口的还原气体的吹入量相对于总的炉顶排气量的质量比率(％)。随着富氧率的增加，增加来自常规风口的还原气体的吹入量，将风口前燃烧温度维持为恒定(2155℃)。

在此，本发明在高炉操作的焦炭比水平方面并不受制约。

通常，在高炉操作中，为了确保炉下部的发热量，一般是调整送风条件以使得风口前燃烧温度恒定为约2155℃。如果在风口前燃烧温度降低的条件下进行操作，则会长期地引起炉热、铁水温度的低下，诱发出铁不良、骤冷等重大的操作故障。在从风口吹入COG和/或天然气的操作中，由于伴随主要成分CH₄的分解的吸热反应、和冷风向高炉内的吹入，所导入的气体显热低下，风口前燃烧温度降低。

为了补偿这一点，所导入的气体富氧化是有效的。再有，由于所述炉顶排气的主成分为CO和H₂，因此所述炉顶排气的循环气体在风口前不燃烧、且以冷风吹入，因此所导入的气体显热低下，风口前燃烧温度低下。该情况下，根据循环气体的吹入量来使富氧率上升，能够谋求热补偿。在提高富氧率的情况下，为了使出铁比恒定而使送风量减少，将炉内投入氧量调整为恒定。其结果，随着使富氧率增加，炉内气体中的N₂减少，相对地CO、H₂等还原气体浓度提高。这会使要件B的炉顶排气循环操作的效果增大。

[实施例3]

图8表示在(要件A+要件B+要件C)工艺中，将从常规风口吹入的天然气的单耗设为95(kg/tHM)的情况下的高炉的操作指标间的关系。在此，将图8的所述(要件A+要件B+要件C)工艺中的操作条件示于表6，吹入的气体从COG变更为天然气，来自炉身部风口的循环气体的吹入量为400Nm³/tHM、吹入温度设为800℃，除此以外与表5的研究条件是同样的。

表6

图8(A)是富氧率与碳的单耗(kg/tHM)的关系。图8(B)表示富氧率与焦炭比(kg/tHM)的关系、以及富氧率(％)与从常规风口吹入的循环气体的吹入量(Nm³/tHM)的关系。图8(C)是富氧率与炉顶排气的循环气体比率(％)的关系。

在该情况下，高炉需要以250kg/tHM以下的焦炭比水平进行操作，但通过将富氧率提高至40％，能够将高炉的碳的单耗削减到大约350kg/tHM左右。这相对于表1的通常操作时相当于约15％的削减。

[实施例4]

在实施例4中，调查了在(要件A+要件B)工艺中使从常规风口吹入的COG或天然气量变化，而且，作为要件C工艺，从常规风口不加热而吹入炉顶排气、并且增加了从常规风口输送的风的富氧率的情况下的效果。

图9示出了对于为实现稳定的操作状态而调整了焦炭比以使得在表1的附带＊的规范下炼铁温度不低于1520℃的高炉，在(要件A+要件B)工艺中使从常规风口吹入的COG量变化了的例子。

如图9所示，作为所述要件B，将来自炉身部风口的炉顶排气循环的吹入量设为400Nm³/tHM的情况下，如果从常规风口吹入的COG量低于30Nm³/tHM，则在碳的单耗方面看不到大的改善。这是由于从常规风口吹入的COG量过少，不能充分发挥H₂循环的增大效果。另一方面，如果将来自常规风口的COG的吹入量设为30Nm³/tHM以上，则随着使所述COG的吹入量增加，碳的单耗被大大改善。

作为所述要件C，使从常规风口吹入的气体的富氧率增加至35％，同时，将从常规风口吹入的炉顶排气的量设为225Nm³/tHM的情况下，如果从常规风口吹入的COG量低于30Nm³/tHM，则与要件B同样地，在碳的单耗方面看不到大的改善。这是由于吹入量过少，不能充分发挥H₂循环的增大效果。另一方面，如果从常规风口吹入的COG量为30Nm³/tHM以上，则随着使所述吹入的COG量增加，与(要件A+要件B)工艺相比，能够大大改善碳的单耗。再者，无论在哪种条件下，越使吹入量增加，碳的单耗能够越降低。

图10示出了对于为实现稳定的操作状态而调整了焦炭比以使得在表1的附带＊的规范下炼铁温度不低于1520℃的高炉，在(要件A+要件B)工艺中使从常规风口吹入的天然气的吹入量变化的例子。

与从常规风口吹入COG的情况同样地，作为所述要件B，将来自炉身部风口的炉顶排气循环的吹入量设为400Nm³/tHM的情况下，如果从常规风口吹入的天然气的量低于30Nm³/tHM，则在碳的单耗方面看不到大的改善。但是，作为所述要件C，使从常规风口吹入的气体的富氧率增加至40％，同时，将从常规风口吹入的炉顶排气的量设为175Nm³/tHM的情况下，如果将从常规风口吹入的天然气的量设为30Nm³/tHM以上，则随着使吹入量增加，碳的单耗被大大改善。再者，天然气的使用量没有制约，但由于会招致制造成本的上升，因此期望在可得到规定的效果的范围内设定天然气的使用量。

如上所述，如果今后操作技术提高、能够进行稳定操作的最低焦炭比水平进一步降低的话，则通过更积极地应用本发明(提高富氧率)，能够大幅度削减高炉的碳消耗量。再者，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明并不被这样的例子限定。只要是具有本发明所属的技术领域的通常的知识的人，就能够在本申请的权利要求书所记载的技术思想的范畴内相应地得到各种变更例或修正例，但这些例子也当然地都属于本发明的技术范围。

产业上的可利用性

根据本发明，能够提供可削减CO₂排出量、并且在商业高炉中能够长期且稳定地制造生铁的高炉的操作方法。

Claims (8)

1.一种高炉的操作方法，所述高炉从炉顶装入铁矿石和焦炭、从常规风口吹入粉煤，所述操作方法的特征在于，

将含有氢气和烃中的至少任一方的气体与所述粉煤一起从所述常规风口吹入，并且，

从炉身部风口向炉内吹入从高炉的炉顶排气除去二氧化碳和水蒸气后的气体。

2.根据权利要求1所述的高炉的操作方法，其特征在于，还从常规风口向炉内吹入从高炉的炉顶排气除去二氧化碳和水蒸气后的气体。

3.根据权利要求1或2所述的高炉的操作方法，其特征在于，从所述常规风口吹入的气体富氧化至富氧率为10％以上、且下述式所示的Y％以下，

Y＝0.079×CH₄+32

式中的CH₄表示从常规风口吹入的气体中的甲烷的体积％。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的高炉的操作方法，其特征在于，所述含有氢气和烃中的至少任一方的气体的吹入量为30Nm³/tHM以上。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的高炉的操作方法，其特征在于，从所述炉身部风口吹入的炉顶排气，是以600℃以上1000℃以下的温度、且400Nm³/tHM以下的吹入量从所述炉身部风口吹入的。

6.根据权利要求1～5中的任一项所述的高炉的操作方法，其特征在于，从所述炉身部风口吹入的炉顶排气的吹入量为100Nm³/tHM以上。

7.根据权利要求1～6所述的高炉的操作方法，其特征在于，从所述常规风口吹入的含有氢气和烃中的至少任一方的气体含有甲烷。

8.根据权利要求7所述的高炉的操作方法，其特征在于，所述含有甲烷的气体包含焦炉气和天然气中的至少一种。

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