JP2001131616A - 高炉の操業方法及び焼結炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 設備の近くに設けられた酸素発生設備からの
酸素が使用でき、かつ、必要酸素の変動に対応できる高
炉操業方法を提供する。 【解決手段】 原料空気１が混合伝導膜（複合金属酸化
膜）を用いた高温膜分離法による膜分離装置３で高濃度
の酸素４と窒素５に分離される。酸素４は送風用空気２
と混合され、送風機６によって熱風炉７へ送られる。酸
素富化された空気は、熱風炉７により、さらに約1200℃
まで昇温された後、酸素富化熱風として微粉炭１１と共
に高炉１２内へ吹き込まれる。一方、膜分離装置３で分
離された窒素は、微粉炭製造設備８に送られ、ガスバー
ナーで昇温された後、石炭の粉砕・乾燥工程でローラー
ミル内に吹き込まれ、有効に利用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高炉及び焼結炉に
おいて弾力的な酸素富化操業に対応し、かつ安全な酸素
富化送風を行う操業方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、高炉においては、炉頂から鉄鉱石
・コークス等の原料を装入し、また羽口からは熱空気を
送風して操業を行ってきたが、昭和３０年後半ごろか
ら、単位出銑量当たりのコークス燃料使用量を低減する
ため、羽口からの重油吹き込みが行われるようになっ
た。しかしながら昭和４８年の石油ショック以降、重油
の値段が急騰したので、重油に代わって微粉炭が高炉に
吹き込まれるようになった。

【０００３】微粉炭吹込みにおいては、高炉内のガス流
速の増加に伴い熱流比が低下し、炉頂温度が上昇すると
いう問題がある。この問題を解決する方法としては、ガ
ス流量を低下させる方法が有効であり、それを実現する
ためには、送風中の酸素濃度を上げればよい。このよう
な微粉炭吹き込みと送風中の酸素富化を並行して行う操
業は、現在、各製鉄所において広く一般的に行われてい
る。

【０００４】最近では、高炉操業のさらなる効率化（コ
ークス燃料使用ひの低下）を追求して微粉炭吹込み量が
年々増大していることに加え、各製鉄所内でコークス炉
の老朽化の問題が表面化してきている。よって、微粉炭
吹き込み量を増加させる必要性は今後さらに大きくなる
ことが予想され、これに伴って高炉で使用する酸素の需
要もさらに増大するものと思われる。

【０００５】これまで製鉄所で使用する酸素は、高炉で
使用するものを含めて、製鉄所内の深冷分離プラントに
おいて集中的に大量製造されてきた。深冷分離法は、空
気を圧縮後、断熱膨張によって極低温まで冷却し、液化
した後、蒸留過程を経てそれぞれの気体に分離する方法
であり、 １．酸素を一度に大量生産する ２．長年にわたる改良の積み重ねにより技術的な完成度
が高い ３．高価な希ガスであるアルゴンの分離回収が可能であ
る 等の理由により、現在最も経済的で、安定して酸素を製
造できる方法である。

【０００６】しかしながら、高炉における酸素の利用を
考えた場合、高炉の炉況は常に変化しているため、その
変化に対応して酸素の必要量も大きく変化する。深冷分
離法による酸素製造においては、設備制約上、酸素の生
産量を大幅に変化させることは困難であり高炉の操業の
変化に対応することができない。このため、高炉の炉況
によっては余剰酸素が発生する場合があり、大気放散せ
ざるを得なくなるため大幅なエネルギーのロスをきた
す。また、深冷分離プラントは、純酸素を大量に消費す
る転炉に密接して設けられているため高炉から離れた場
所にあり、発生した酸素を高炉で使用するためには、長
い送風管の中を通して輸送しなければならないため発火
の危険性が大きく、送風操作には十分な注意が必要であ
る。

【０００７】このような問題点を解決する技術として、
特開昭５９−１２９７０６号公報には、高炉送風系内に
酸素透過膜による酸素分離装置を組み込み、発生した酸
素を空気と混合して酸素濃度が25〜30％程度になるよう
に酸素富化を行った後、熱風炉で加熱し、高炉へ送ると
いう方法が開示されている。この酸素富化法により、大
型のプラントを使うことなく、高炉の操業に対応した酸
素の製造を行うことが可能となり、また酸素製造装置を
送風系に組み込むことによって、酸素の送風配管を最小
限に留めることができるため、酸素による発火の危険性
が著しく低減される。

【０００８】一方、連続下方吸引式焼結機による焼結方
法においては、焼結原料は点火炉の手前の位置でパレッ
ト台車に積載され点火炉に搬送される。点火炉において
は、燃料ガス等の燃焼熱によって、焼結原料の表層部を
予熱し原料中の炭材（例えばコークス）を着火せしめ
る。パレット台車は排風機に連絡されている風箱と連結
されており、この風箱の上を焼結されながら搬送され
る。この排風機によって大気が吸引されるため、焼結原
料表面から酸素が供給され、原料中のコークスが燃焼
し、焼結帯を形成、焼結される。この焼結帯はパレット
台車搬送中に次第に原料層の下層部へと移行し、最下部
まで到達して焼結が完了する。このような下方吸引式焼
結機において、焼結帯に供給される酸素濃度は焼結鉱の
落下強度等の製品品質および生産性に影響を与え、酸素
濃度が15％程度以下になると品質および生産性が低下す
ることが知られている。

【０００９】そこで、品質および生産性を向上させるた
めに、吸引される空気の酸素を富化し、高酸素濃度の気
体で焼結するいくつかの方法が試みられている。例え
ば、特開昭６２−１４９８２４号公報には、焼結用酸素
の導入量を酸素の利用効率によって制御する方法が開示
されており、特開平２−７３９２４号公報には、焼結原
料の上層部が焼結する間に焼結層に吸引される燃焼用空
気の酸素濃度を35％以上に富化して焼結する方法が開示
されている。また、特開平５−２５５７６６号公報に
は、焼結機のパレットの上方を囲うように設置した高分
子材料からなるガス分離膜を透過させ、これにより焼結
機内部の酸素を富化させて焼結を進行させる方法が開示
されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
５９−１２９７０６号公報に開示された酸素分離装置に
用いられている酸素分離膜は、高分子系の膜であるため
酸素の分離効率が悪く、分離後の酸素濃度はたかだか40
％程度である。また酸素透過速度も非常に遅いため、高
炉に必要な酸素量を得るためには広い膜面積が必要とな
る。また、この高分子膜によって酸素製造装置を作成す
ると、従来の深冷分離法による装置よりは小型化が可能
であるが、高炉送風系のラインに安易に付加できるほど
の小型化をはかることはできない。そこで、膜分離性能
のさらなる向上が課題となっている。さらに、高分子膜
は、耐熱性能・耐圧性能が共に低く、分離後のガスも低
温・低圧であるため、高炉送風系の高温・高圧環境にお
いて有効に利用できない。

【００１１】一方、焼結機における従来技術において
も、以下のような問題点がある。すなわち、特開昭６２
−１４９８２４号公報に記載の焼結方法では、高温の燃
焼帯が形成されて焼結の生産性は大幅に向上するが、焼
結のための温度と時間が不足するために製品歩留まりが
低下し、また、酸素を富化するために酸素原単位が高く
コスト高になるなどの欠点がある。

【００１２】また、特開平２−７３９２４号公報に記載
の焼結方法では、パレット上層部が焼結する間35％以上
の高酸素濃度気体を供給するとされているが、供給する
高酸素濃度気体の安価な製造方法等の記載はなく、既存
技術（深冷分離法など）で製造された酸素を空気に混合
させたものと考えられ、経済的な焼結方法とは考えられ
ない。

【００１３】また、特開平５−２５５７６６号公報に記
載の焼結方法においては、高分子材料のガス分離膜を使
用しており、パレット上方を囲むように使用した場合、
焼結原料表層からの熱による分離係数の低下、また、原
料層への透過酸素濃度を一定に保持するためにブロワー
吸引力を増強する必要がある。仮に、富化膜室ユニット
で別途製造した酸素を焼結機へ供給したとしても、現存
する高分子膜では莫大な表面積が必要となり、酸素製造
装置としてもコスト高となり経済的でない。

【００１４】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、高炉及び焼結炉の操業において、設備の近くに
設けられた酸素発生設備からの酸素が使用でき、かつ、
必要酸素の変動に対応できる操業方法を提供することを
課題とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、複合金属酸化物膜を用いた膜分離装置
によって空気から分離して得られた酸素を、高炉の送風
空気に混合して用いることを特徴とする高炉の操業方法
（請求項１）である。

【００１６】本発明で使用される複合金属酸化膜は、酸
素イオンおよび電子の双方を伝導する混合導電性膜であ
り、酸素透過速度と膜強度の関連から数十μｍ〜数百μ
ｍの厚さを有するものである。また、膜強度補強のため
に多孔質材料の支持体を使用することができる。原料空
気は500℃〜1300℃に加熱して供給される。原料空気中
の酸素は、膜前後の酸素分圧差を駆動力として複合金属
酸化物膜を透過し分離される。

【００１７】このような複合金属酸化膜を用いた膜分離
装置は、小型であり、かつ、酸素の発生量を制御するの
が容易である。よって、高炉に近接して設置することが
できるため、酸素の配管が著しく短くなり、配管中の酸
素の発火の危険性が著しく低減される。また、高炉の炉
況に応じて必要とされるだけの酸素を適宜発生させるこ
とができるので、余った酸素を放散するような事態が発
生しない。さらに、生産される酸素は高温度（500〜130
0℃)であるため、空気に添加することにより顕熱を与え
ることになり、熱風炉の燃料原単位を低減できる。

【００１８】前記課題を解決するための第２の手段は、
前記第１の手段であって、高炉の羽口から微粉炭を吹き
込む操業を行うものにおいて、前記複合金属酸化物膜で
酸素を分離した後の高温窒素を、微粉炭製造設備、微粉
炭吹き込み設備の少なくとも一方で使用することを特徴
とするもの（請求項２）である。

【００１９】前述のように、高炉における酸素富化操業
は、微粉炭吹き込み操業と組み合わせて行われる場合が
多い。この場合に、石炭を粉砕・乾燥して微粉炭を製造
する微粉炭製造工程、製造された微粉炭を高炉羽口まで
搬送して吹き込む微粉炭吹き込み装置においては窒素ガ
スを必要とする。

【００２０】本手段においては、高炉における酸素富化
に使用される酸素を分離する前記膜分離装置によって酸
素が分離された残りの窒素を、微粉炭製造設備、微粉炭
吹き込み設備の少なくとも一方で使用するようにしてい
る。前述のように、前記膜分離装置は高炉の近くに設置
されるので、微粉炭製造設備、微粉炭吹き込み設備まで
の窒素配管が少なくて済む。また、前記膜分離装置で分
離される窒素は高温であるため、製造された微粉炭の乾
燥に用いることができ、ガスヒーターによる予熱を節約
することができる。

【００２１】前記課題を解決するための第３の手段は、
下方吸引式焼結炉において、複合金属酸化物膜を用いた
膜分離装置によって空気から分離して得られた酸素と空
気とを混合し、燃焼用気体として供給することを特徴と
する焼結炉の操業方法（請求項３）である。

【００２２】前述のように、複合金属酸化物膜を用いた
膜分離装置は小型なので焼結炉の近くに設置することが
できる。よって、酸素の配管が著しく短くなり、配管中
の酸素の発火の危険性が著しく低減される。また、焼結
機の負荷変動に応じて必要とされるだけの酸素を発生す
ることができるので、酸素富化焼結に必要な酸素濃度を
確保することができる。さらに、高温の酸素を供給する
ことができるので、焼結に必要とされる温度の酸素富化
空気を供給することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の例を
図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１
例である高炉操業を実施するための設備の概要を示す系
統図である。図１において、１は原料空気（酸素用）、
２は空気（送風用）、３は膜分離装置、４は酸素ガス、
５は窒素ガス、６は送風機、７は熱風炉、８は微粉炭製
造設備、９は石炭、１０は熱風本管、１１は微粉炭、１
２は高炉である。

【００２４】原料空気１が混合伝導膜（複合金属酸化
膜）を用いた高温膜分離法による膜分離装置３で高濃度
の酸素４と窒素５に分離される。酸素４は送風用空気２
と混合され、送風機６によって熱風炉７へ送られる。こ
の際、酸素と送風空気を混合する位置は、図１の点線で
示したように送風機６の後、または熱風本管１０内でも
かまわないが、送風機を通った後の送風空気には送風圧
力がかかっているため製造される酸素にも高い圧力が必
要となり、ボンプ等の加圧設備が必要になるため、送風
機の６の前で酸素と空気を混合することが望ましい。酸
素富化された空気は、熱風炉７により、さらに約1200℃
まで昇温された後、酸素富化熱風として微粉炭１１と共
に高炉１２内へ吹き込まれる。一方、膜分離装置３で分
離された窒素は、微粉炭製造設備８に送られ、ガスバー
ナーで昇温された後、石炭の粉砕・乾燥工程でローラー
ミル内に吹き込まれ、有効に利用される。

【００２５】図２は、本発明の実施の形態の１例である
焼結炉操業を実施するための設備の概要を示す系統図で
ある。図２において、２１は原料装入用ホッパー、２２
は原料装入装置、２３は点火炉、２４は酸素吹き込みフ
ード、２５は酸素濃度検出器、２６は焼結ベッド、２７
は排鉱部、２８は風箱、２９は主排気道、３０は酸素流
量調節弁、３１は酸素流量計、３２は膜分離装置、３３
は制御装置、３４、３５は空気用配管、３６、３７は空
気用導管、３８、３９は排ガス用導管である。

【００２６】原料装入ホッパー２１内に入れられた焼結
原料は、原料装入装置２２により、焼結ベッド２６上を
走行するパレット台車上に載置され、点火炉２３に搬送
される。点火炉２３においては、燃料ガス等の燃焼熱に
よって、焼結原料の表層部を予熱し原料中の炭材（例え
ばコークス）を着火せしめる。パレット台車は、主排気
道２９を通して排風機（図示せず）に連絡されている風
箱２８と連結されており、この風箱２８の上を焼結され
ながら搬送される。排風機によって大気が吸引されるた
め、焼結原料表面から酸素が供給され、原料中のコーク
スが燃焼し、焼結帯を形成、焼結される。この焼結帯は
パレット台車搬送中に次第に原料層の下層部へと移行
し、最下部まで到達して焼結が完了する。焼結が完了し
た焼結鉱は、排鉱部２７から排出される。

【００２７】一方、空気用導管３６、３７より供給され
た高温空気は、複合金属酸化膜（混合導電性膜）を有す
る膜分離装置３２に導入される。膜分離装置３２で分離
透過した酸素は、酸素流量計３１および酸素流量調整弁
３０を経て、点火炉２３および酸素吹込みフード２４に
導入される。点火炉２３および酸素吹込みフード２４に
導入させた酸素は、空気用導管３４および３５より供給
された空気と混合され、酸素富化空気となる。点火炉２
３および酸素吹込みフード２４中の酸素富化空気の酸素
濃度は、酸素検出器２５で測定される。制御装置３３
は、この酸素富化空気の酸素濃度が目標値になるよう
に、酸素流量調整弁３０を操作し、酸素流量を制御す
る。膜分離装置３２での非透過ガスは、窒素富化空気で
あり、排ガス用導管３８および３９を通って膜分離装置
３２の系外に排出される。

【００２８】図３に、以上の実施の形態に使用されてい
る膜分離装置における分離膜の概略断面図の例を示す。
この分離膜は、酸素イオンおよび電子の双方を透過する
複合金属酸化膜（混合導電性膜）とそれを支持する多孔
質材料（多孔質支持体）から成る混合複合膜であり、多
孔質支持体は貫通孔を有するものである。高温空気は、
混合導電性膜側から供給され、酸素のみが多孔質支持体
側に透過する。

【００２９】複合金属酸化膜としては、ペロブスカイト
型金属酸化物、あるいは酸化金属安定化ジルコニア、例
えばイットリア安定化ジルコニア、カルシウム安定化ジ
ルコニアなどを用いることができる。また、多孔質材料
の支持体としては、複合金属酸化膜とスピネルのような
複合金属酸化物を形成せず、かつ熱膨張係数が等しい材
料が好ましい。複合金属酸化膜の表面積は必要酸素量に
より適宜決められるが、供給ガスと膜との気・固接触面
積を大きくするために膜表面に凹凸をつけることで、比
表面積が大きくし、膜占有面積を小さくすることもでき
る。膜形状としては、平面膜あるいはチューブ状多孔質
支持体の外表面に複合金属酸化物薄膜を形成させたシェ
ルチューブ構造があり、使用目的に応じて膜形状を選択
することができる。

【００３０】また、複合金属酸化膜膜は、膜を挟んだ非
透過側と透過側の酸素分圧差が酸素分離の駆動力となる
ため、透過側を非透過ガスあるいは窒素などを用いてパ
ージし酸素分圧を下げる、あるいは、吸引ブロワーなど
を用いて透過酸素を吸引するなどの操作を行うことで酸
素透過速度は向上する。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち請求
項１に係る発明においては、酸素の配管が著しく短くな
り、配管中の酸素の発火の危険性が著しく低減される。
また、高炉の炉況に応じて必要とされるだけの酸素を適
宜発生させることができ、さらに、熱風炉の燃料原単位
を低減できる。

【００３２】請求項２に係る発明においては、これに加
え、微粉炭製造設備、微粉炭吹き込み設備までの窒素配
管が少なくて済む。また、ガスヒーターによる予熱を節
約することができる。

【００３３】請求項３に係る発明においては、酸素の配
管が著しく短くなり、配管中の酸素の発火の危険性が著
しく低減される。また、焼結機の負荷変動に応じて必要
とされるだけの酸素を発生することができ、さらに、焼
結に必要とされる温度の酸素富化空気を供給することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の１例である高炉操業を実
施するための設備の概要を示す系統図である。

【図２】本発明の実施の形態の１例である焼結炉操業を
実施するための設備の概要を示す系統図である。

【図３】膜分離装置における分離膜の概略断面図の例を
示す図である。

【符号の説明】

１…原料空気（酸素用）、２…空気（送風用）、３…膜
分離装置、４…酸素ガス、５…窒素ガス、６…送風機、
７…熱風炉、８…微粉炭製造設備、９…石炭、１０…熱
風本管、１１…微粉炭、１２…高炉、２１…原料装入用
ホッパー、２２…原料装入装置、２３…点火炉、２４…
酸素吹き込みフード、２５…酸素濃度検出器、２６…焼
結ベッド、２７…排鉱部、２８…風箱、２９…主排気
道、３０…酸素流量調節弁、３１…酸素流量計、３２…
膜分離装置、３３…制御装置、３４、３５…空気用配
管、３６、３７…空気用導管、３８、３９…排ガス用導
管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 敏彦 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 有山 達郎 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 六川 庄一 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 Ｆターム(参考） 4K001 AA10 DA10 HA01 4K012 BD04 BD06 BD09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複合金属酸化物膜を用いた膜分離装置に
   よって空気から分離して得られた酸素を、高炉の送風空
   気に混合して用いることを特徴とする高炉の操業方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の高炉の操業方法であっ
   て、高炉の羽口から微粉炭を吹き込む操業を行うものに
   おいて、前記複合金属酸化物膜で酸素を分離した後の高
   温窒素を、微粉炭製造設備、微粉炭吹き込み設備の少な
   くとも一方で使用することを特徴とする高炉の操業方
   法。
3. 【請求項３】 下方吸引式焼結炉において、複合金属酸
   化物膜を用いた膜分離装置によって空気から分離して得
   られた酸素と空気とを混合し、燃焼用気体として供給す
   ることを特徴とする焼結炉の操業方法。