JP2006152434A

JP2006152434A - 高炉操業方法

Info

Publication number: JP2006152434A
Application number: JP2005309621A
Authority: JP
Inventors: Ryota Murai; 亮太村井; Michitaka Sato; 道貴佐藤; Takeshi Sato; 健佐藤; Yusuke Kashiwabara; 佑介柏原; Tatsuro Ariyama; 達郎有山; Hideaki Tsukiji; 秀明築地
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2006-06-15
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: JP5011702B2

Abstract

【課題】設備費が高価にならず、また炉況変動をもたらすことなく低揮発分炭からなる微粉炭を吹込むことができる高炉操業方法を提供する。
【解決手段】羽口から補助還元材として気体還元材、及び揮発分33mass%未満の微粉炭を吹込む高炉操業方法において、微粉炭と気体還元材の吹込み量の合計に対する微粉炭の揮発分量と気体還元材量の合計の質量比率が33mass%以上となるように気体還元材を吹込み、かつ補助還元材の酸素過剰率が0.6以上となるように吹込む。
【選択図】図１

Description

本発明は、羽口から補助還元材として微粉炭を吹込む高炉操業方法に関する。

銑鉄を製造する高炉において還元材として用いられるコークスは、原料として高価な強粘結炭を必要とする。また、その製造設備であるコークス炉の建設、運転、補修等の費用を要する。このため、コークスは一般に高価であり、銑鉄製造コストが高いことの原因となっている。
そこで、高炉操業におけるコークスの使用量低減による銑鉄製造コストの削減が望まれている。

上記の目的を達成するため、コークスに比較して安価な微粉炭の多量使用や廃棄物に含まれる合成樹脂を高炉の還元材として使用することが行なわれている。
微粉炭使用技術に関して、高揮発分、低揮発分に関係なく、できるだけ幅広い銘柄、種類の炭材が高炉への吹き込み微粉炭として使用できることが、エネルギーの安全供給や価格の安定化面からも望ましいとの観点から、低揮発分炭をいかにして高炉への吹き込み用微粉炭として使用するかについて以下の技術が提案されている。
使用する石炭の揮発分が低い場合、高揮発分の石炭と混合して用いることにより微粉炭の燃焼効率を改善する（特許文献１参照）。

また、微粉炭の揮発分から生ずる“すす”がコークス置換率や通気性に影響を与えているとの知見に基づいて、羽口から吹き込む微粉炭の炭種、吹き込み量、粒径および送風中の酸素濃度のうちいずれか一種または二種以上を、それぞれ調整することにより、炉頂排ガス中に含まれる未燃焼チャーおよびすす量を基準値以下に制御することを特徴とする微粉炭吹き込み高炉操業法が提案されている（特許文献２参照）。
なお、置換率とは吹込み燃料の単位吹込み量あたり炉上部から投入されるコークスをどれだけ減少しえたかで表される指標である。
特開２００２−２４１８１５号公報（［０００５］、［０００７］参照）特開平８−２０９２０９号公報（［０００６］、［０００７］参照）

しかし、特許文献１に開示されたように低揮発分炭と高揮発分炭とを混合して用いるためには、複数種類の石炭の粉砕を行なう必要がある。この場合、複数種類の石炭を単一の石炭粉砕機に投入すると、硬度の違いから一方の石炭は十分粉砕されるものの、他方の石炭は粉砕不良のため比較的粗粒で高炉に吹込まれることになり、粉砕不良の場合は十分な燃焼効率を得ることができない。
もっとも、複数の粉砕機で混合すれば上記の問題は生じないが、大量の石炭を微粉砕するための粉砕機は非常に高価であり、多大な設備費用を要するという問題がある。

また、特許文献２においては、すすや未燃チャ−発生抑制のために微粉炭吹込み量、粒径、送風中の酸素濃度、送風温度、石炭種類、のうちいずれかを変更するとあるが、これらの値は高炉操業上できるだけ一定値を維持することが望ましいとされるものであり、これら操業諸元の変更は、しばしば炉況変動をもたらし、時には炉況不調の原因ともなりうるため好ましくないという問題がある。

本発明は、上記従来技術の有する課題を解決するためになされたものであり、設備費が高価にならず、また炉況変動をもたらすことなく低揮発分炭からなる微粉炭を吹込むことができる高炉操業方法を提供することを目的としている。

上記の問題を解決すべく発明者らは、微粉炭の燃焼挙動に着目して検討を行なった。石炭粒子の温度が上昇すると、まずはじめに可燃性の揮発分が放出され、この揮発分に着火・燃焼し、その燃焼熱により石炭粒子はさらに昇温され固定炭素分が燃焼する。
このような燃焼挙動を前提にすると、低揮発分の石炭は着火源となる揮発分量が少ないために固定炭素の燃焼が遅延し、その結果燃焼性に劣ることになる。
ここで言う揮発分、固定炭素それぞれは工業分析法(JIS M 8812)に定められた方法によって分析可能なものであり、個々の石炭の種類により異なる値を持つものである。また、微粉炭は通常乾燥して用いられるため、無水基準の値を用いた。

発明者らは、さらに低揮発分の石炭の燃焼性を改善する方法について検討を重ね、低揮発分の微粉炭に気体還元材を組み合わせて吹込むことにより、その燃焼性を改善できることを発見した。気体還元材は固体還元材に比較して燃焼が速いことから、まず気体還元材に着火させ、その燃焼熱で微粉炭の燃焼促進が可能である。ここで言う気体還元材とは、たとえば天然ガス、石炭ガス化ガス、コークス炉ガス（ＣＯＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）等の酸素と反応して発熱反応を生じる気体を指しており、常温常圧で気体の物質である。

他方、微粉炭と気体還元材の吹込み比が増大すると、燃焼に必要な酸素量が不足し、燃焼性が低下する。このような条件下では炉頂からのすすや未燃物の排出につながる。したがって補助還元材（微粉炭と気体還元材）の吹込み量に一定の制限を設ける必要がある。そして、酸素過剰率を用いることにより、固体燃料と気体燃料の使用比率によらず一義的に吹込み量の上限を決めることができることを見出した。
なお、酸素過剰率とは、吹き込み還元材が完全燃焼するために必要な酸素量に対する供給酸素量の比を言う。

以上の知見を前提として、まず、微粉炭の燃焼性を向上するために必要な気体還元材の添加量についての検討を行なった。ガス成分比と置換率の関係について多数の石炭種類を対象に実験を行なった結果を図２に示す。
ここにいうガス成分比を、次の「式１」で定義する。

式1で示されるガス成分比は、微粉炭と気体還元材の吹込み量の合計に対する微粉炭の揮発分量と気体還元材量の合計の質量比率という意味を持つ。
図２のグラフから高置換率を得る条件は、式１で示されるガス成分比が33mass%以上であることが分かる。このことを式で表現すると、次の式２になる。

式２を変形して、次の「式３」を得る。

式３の条件の下で操業を行なえば高カロリーでコークスの代替還元材として有効な低揮発分炭の燃焼効率を高め、高い置換率を得ることができる。

次に、補助還元材（微粉炭と気体還元材）の吹込み量の制限値について検討を行なった。
微粉炭の吹込み量が増大した場合や、揮発分量が極めて少ない石炭を使用する場合、微粉炭の着火源となるべき気体還元材の吹込み量もまた増大していく。発明者らは微粉炭あるいは気体還元材の燃焼には酸素が必要なことから酸素過剰率に着目した。
そして、酸素過剰率と炉頂ダスト中の炭素濃度との関係を調べ、これをグラフ化したものを図３に示す。

図３に示すように、酸素過剰率が0.6未満では炉頂ダスト中の炭素濃度が著しく増大した。通常、炉頂ダスト中の炭素は塊コークスを炉頂の装入装置から投入する際の粉に由来しており、その量はコークスの冷間強度に依存する。このことは、図３において酸素過剰率が0.6を超える場合に炉頂ダスト中の炭素量はほぼ一定値であることに現れている。
他方、酸素過剰率0.6未満での著しい炭素濃度の上昇は補助燃料の未燃物であると考えることができる。このことから、すすや未燃物の排出を防止するには、酸素過剰率を0.6以上とすることが必要である。
なお、補助還元材の吹込み量については、気体還元材の吹込み量、微粉炭の吹込み量、合成樹脂の吹込み量のさまざまな組み合わせがあるが、上記のように酸素過剰率で整理すると、還元材の組み合わせによらず、酸素過剰率と炉頂ダスト中炭素濃度は一義的に決定される。
図２および図３の関係から微粉炭吹込み比と気体還元材吹込み比の適正範囲を図示すると図１を得る。なお、図１においては気体還元材としてＬＮＧを例に示しているが、例えば気体還元材がコークス炉ガス（ＣＯＧ）や液化石油ガス（ＬＰＧ）の場合には、微粉炭吹込み比と気体還元材吹込み比の適正範囲はそれぞれ図５、図６に示すようになる。

請求項１に記載の発明は、上記の知見を基になされたものであり、羽口から補助還元材として気体還元材、及び揮発分33mass%未満の微粉炭を吹込む高炉操業方法において、微粉炭と気体還元材の吹込み量の合計に対する微粉炭の揮発分量と気体還元材量の合計の質量比率が33mass%以上となるように気体還元材を吹込み、かつ補助還元材の酸素過剰率が0.6以上となるように吹込むことを特徴とするものである。

補助還元材として微粉炭と共に合成樹脂を用いることが実施されつつある。合成樹脂はその製造工場から排出される産業廃棄物として、あるいは一般の廃棄物中に含まれるものなどさまざまな種類、形態をもっている。燃焼の見地からは微粉砕して比表面積を高め、単位質量あたりの伝熱面積を増大させ粒子の昇温速度を高めることが望ましい。
しかしながら、合成樹脂は延性をもつため冷凍粉砕など特殊な方法によらなければ微粉砕することができない。このため逆に数ミリから十数ミリの粒子に造粒して吹込まれるのが現状である。

発明者らは、このような合成樹脂が補助還元材として吹き込まれている現状に着目して、気体還元材、低揮発分炭、合成樹脂の３種類を組み合わせて高炉羽口から吹込む場合についても検討を行なった。その結果、合成樹脂は比表面積が小さく容易に着火燃焼せず、レースウェイと呼ばれる羽口先燃焼領域の奥でコークスとともにガス化燃焼するため、微粉炭の着火、燃焼にはほとんど影響を及ぼさないことが分かった。すなわち、気体還元材、低揮発分炭、合成樹脂の３種類を組み合わせて高炉羽口から吹込む場合についても低揮発分炭を有効に使用するためには「式３」の関係式を満たせばよい。

請求項２に記載の発明は上記の知見を基になされたものであり、羽口から補助還元材として気体還元材、及び揮発分33mass%未満の微粉炭および合成樹脂を吹込む高炉操業方法において、微粉炭と気体還元材の吹込み量の合計に対する微粉炭の揮発分量と気体還元材量の合計の質量比率が33mass%以上となるように気体還元材を吹込み、かつ補助還元材の酸素過剰率が0.6以上となるように吹込むことを特徴とするものである。

本発明においては、微粉炭と気体還元材の吹込み量に対する微粉炭の揮発分量と気体還元材量の合計の質量比率が33mass%以上となるように気体還元材を吹込み、かつ補助還元材の酸素過剰率が0.6以上となるように吹込むようにすることにより、低微粉炭の燃焼性を改善できると共にすすや未燃物の排出を防止できる。この結果、設備費が高価にならず、また炉況変動をもたらすことなく低揮発分炭からなる微粉炭を吹込むことができ、高価なコークス使用量を削減でき、銑鉄製造コストを低減できる。

本実施の形態に係る高炉操業方法に用いられる高炉は、内容積が3223m³であり、図４に示すように、送風管２を貫通して微粉炭吹込みランス３、合成樹脂吹込みランス４、気体還元材吹込みランス５が設置されている。
また、本発明の実施の形態に係る高炉操業方法では、気体還元材は気体還元材Ａとしてメタンガス、気体還元材Ｂとしてコークス炉ガス（ＣＯＧ）および気体還元材Ｃとして液化石油ガス（ＬＰＧ）を用いた。また、用いた微粉炭、合成樹脂、気体還元材の各分析値を表１に示した。

吹込み方法については、さまざまな方法があり、たとえば微粉炭、合成樹脂、気体還元材の内２種または３種を同芯状の多重管ランスにより同時に吹込む方法や、２種または３種を単管で混合して吹込む方法など種々考えられる。しかし、気体還元材の着火・燃焼は著しく速く、吹込みランスの形状や形式に対する依存性が低いため、本発明においては、吹込みランスの構造や吹込み方法はどのようなものであってもよい。
本実施の形態に係る高炉操業方法の実施例１〜９を表２に示し、比較例１〜９を表３に示す。

表２、表３における微粉炭置換率については、補助還元材（主還元材であるコークス以外の還元材であって、気体還元材、微粉炭、合成樹脂が挙げられる。）の吹込み無しでのコークス比が499kg/t-pであったことと、メタンガスおよび合成樹脂の置換率を便宜上1.0に固定することにより、下記の式４により算出した。厳密には置換率は補助還元材種によって異なるが、複数種類の補助還元材の置換率をそれぞれ分離して算出することは極めて困難である。そこで、便宜的に微粉炭以外の補助還元材の置換率を固定し、複数種類の補助還元材の置換率を微粉炭の置換率で代表させたことになるが、最終的に合計の還元材比を低減することが目的であることを考慮すれば、このような置換率算出方法は簡便法として有効と考えられる。

実施例１は気体還元材Ａおよび石炭Ａを用いてガス成分比を39.6、酸素過剰率を1.66とした場合を示す。微粉炭の置換率は0.82と高く還元材比は508kg/t-pで510kg/t-pを下回った。
ここで還元材比の基準として510kg/t-pを選定した理由は、従来の操業において、微粉炭として高揮発分炭を吹込んだ場合、すなわち微粉炭の燃焼性が高く、高い置換率が達成されている場合において高炉の還元材比が510kg/t-p以下で推移していた実績に基づいたものである。
実施例２は気体還元材Ａおよび石炭Ａを用いてガス成分比を57.8、酸素過剰率を0.84とした場合を示す。微粉炭の置換率は0.83と高く、還元材比は509kg/t-pで510kg/t-pを下回った。
実施例３は気体還元材Ａおよび石炭Ｂを用いてガス成分比を42.8、酸素過剰率を1.42とした場合を示す。微粉炭の置換率は0.82と高く、還元材比は508kg/t-pで510kg/t-pを下回った。
実施例４は気体還元材Ａおよび石炭Ａおよび合成樹脂を用いてガス成分比を39.6、酸素過剰率を1.35とした場合を示す。微粉炭の置換率は0.82と高く還元材比は508kg/t-pで510kg/t-pを下回った。
実施例５は気体還元材Ａおよび石炭Ｂおよび合成樹脂を用いてガス成分比を42.8、酸素過剰率を1.13とした場合を示す。微粉炭の置換率は0.82と高く還元材比は508kg/t-pで510kg/t-pを下回った。

実施例６は気体還元材Ｂおよび石炭Ｂを用いてガス成分比を39.6、酸素過剰率を1.79とした場合を示す。微粉炭の置換率は0.86と高く還元材比は506kg/t-pで510kg/t-pを下回った。
実施例７は気体還元材Ｂ、石炭Ｂおよび合成樹脂材を用いてガス成分比を42.8、酸素過剰率を1.43とした場合を示す。微粉炭の置換率は0.82と高く還元材比は508kg/t-pで510kg/t-pを下回った。
実施例８は気体還元材Ｃ、石炭Ｂおよび合成樹脂材を用いてガス成分比を42.8、酸素過剰率を1.49とした場合を示す。微粉炭の置換率は0.84と高く還元材比は507kg/t-pで510kg/t-pを下回った。
実施例９は気体還元材Ｃ、石炭Ｂおよび合成樹脂材を用いてガス成分比を42.8、酸素過剰率を1.37とした場合を示す。微粉炭の置換率は0.84と高く還元材比は507kg/t-pで510kg/t-pを下回った。
以上のように、実施例１〜実施例９の場合、微粉炭置換率はいずれも0.8を超える高い値を示し、合計の還元材比も510kg/t-pを下回る良好な操業を継続することができた。

比較例１は気体還元材Ａおよび石炭Ａを用いてガス成分比を26.1、酸素過剰率を1.58とした場合を示す。ガス成分値が小さく微粉炭の着火・燃焼が遅延するため微粉炭の置換率は0.74と低く還元材比は517kg/t-pで510kg/t-pを上回った。
比較例２は気体還元材Ａおよび石炭Ａを用いてガス成分比を55.5、酸素過剰率を0.56とした場合を示す。ガス成分値は十分だが酸素過剰率が小さく吹込み還元材の燃焼に必要な酸素が不足するため微粉炭の置換率は0.57と低く還元材比は542kg/t-pで510kg/t-pを上回った。

比較例３は気体還元材Ａおよび石炭Ｂを用いてガス成分比を23.8、酸素過剰率を2.12とした場合を示す。ガス成分値が小さく微粉炭の着火・燃焼が遅延するため微粉炭の置換率は0.74と低く還元材比は512kg/t-pで510kg/t-pを上回った。
比較例４は気体還元材Ａおよび石炭Ａおよび合成樹脂を用いてガス成分比を29.6、酸素過剰率を1.59とした場合を示す。ガス成分値が小さく微粉炭の着火・燃焼が遅延するため微粉炭の置換率は0.78と低く還元材比は511kg/t-pで510kg/t-pを上回った。
比較例５は気体還元材Ａ、石炭Ｂおよび合成樹脂を用いてガス成分比を69.5、酸素過剰率を0.59とした場合を示す。ガス成分値は十分だが酸素過剰率が小さく吹込み還元材の燃焼に必要な酸素が不足するため微粉炭の置換率は0.68と低く還元材比は515kg/t-pで510kg/t-pを上回った。

比較例６は気体還元材Ｂおよび石炭Ａを用いてガス成分比を26.1、酸素過剰率を1.64とした場合を示す。ガス成分値が小さく微粉炭の着火・燃焼が遅延するため微粉炭の置換率は0.73と低く還元材比は518kg/t-pで510kg/t-pを上回った。
比較例７は気体還元材Ｂおよび石炭Ａを用いてガス成分比を51.7、酸素過剰率を0.59とした場合を示す。ガス成分値は十分だが酸素過剰率が小さく吹込み還元材の燃焼に必要な酸素が不足するため微粉炭の置換率は0.53と低く還元材比は555kg/t-pで510kg/t-pを上回った。
比較例８は気体還元材Ｃおよび石炭Ｂを用いてガス成分比を23.8、酸素過剰率を2.21とした場合を示す。ガス成分値が小さく微粉炭の着火・燃焼が遅延するため微粉炭の置換率は0.72と低く還元材比は513kg/t-pで510kg/t-pを上回った。
比較例９は気体還元材Ｃ、石炭Ａおよび合成樹脂材を用いてガス成分比を29.6、酸素過剰率を1.96とした場合を示す。ガス成分値が小さく微粉炭の着火・燃焼が遅延するため微粉炭の置換率は0.72と低く還元材比は513kg/t-pで510kg/t-pを上回った。

比較例１〜９で示されたように、ガス成分値または酸素過剰率のいずれか一方が本発明範囲を外れた場合には、微粉炭の置換率が低く、還元材比が大きくなっていることが分かる。

以上のように、本発明の実施例である実施例１〜９の場合には、微粉炭置換率が0.8を超える高い値を示し、合計の還元材比も510kg/t-pを下回る良好な操業を継続することができ、他方、比較例１〜９で示されたように、ガス成分値または酸素過剰率のいずれか一方が本発明範囲を外れた場合には、微粉炭の置換率が低く、還元材比が大きくなった。
このことから、微粉炭と気体還元材の吹込み量に対する微粉炭の揮発分量と気体還元材量の合計の質量比率が33mass%以上となるように気体還元材を吹込み、かつ補助還元材の酸素過剰率が0.6以上となるように吹込むようにすることにより、低微粉炭の燃焼性を改善できると共にすすや未燃物の排出を防止できことの実証がされたものと認められる。

本発明の一実施形態に係る微粉炭量と気体還元材量の関係を示すグラフである。ガス成分比と置換率の関係を示すグラフである。炉頂ダスト中の炭素量と酸素過剰係数の関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る高炉操業方法に使用する高炉の説明図である。微粉炭吹込み比と気体還元材（コークス炉ガス）吹込み比の適正範囲を示すグラフである。微粉炭吹込み比と気体還元材（液化石油ガス）吹込み比の適正範囲を示すグラフである。

符号の説明

１高炉
２送風管
３微粉炭吹込みランス
４合成樹脂吹込みランス
５気体還元材吹込みランス

Claims

羽口から補助還元材として気体還元材、及び揮発分33mass%未満の微粉炭を吹込む高炉操業方法において、微粉炭と気体還元材の吹込み量の合計に対する微粉炭の揮発分量と気体還元材量の合計の質量比率が33mass%以上となるように気体還元材を吹込み、かつ補助還元材の酸素過剰率が0.6以上となるように吹込むことを特徴とする高炉操業方法。
羽口から補助還元材として気体還元材、及び揮発分33mass%未満の微粉炭ならびに合成樹脂を吹込む高炉操業方法において、微粉炭と気体還元材の吹込み量の合計に対する微粉炭の揮発分量と気体還元材量の合計の質量比率が33mass%以上となるように気体還元材を吹込み、かつ補助還元材の酸素過剰率が0.6以上となるように吹込むことを特徴とする高炉操業方法。