JP2006241498A - 高炉操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 微粉炭と共に天然ガスを補助還元材として高炉内に吹き込む際に、安定操業ができる高炉操業方法を得る。
【解決手段】 微粉炭と天然ガスを補助還元材としてそれぞれ別個の羽口より高炉内に吹き込む高炉操業方法であって、天然ガスを吹き込む羽口数が全羽口数の70％未満になるように微粉炭吹込み羽口数および天然ガスの吹込み羽口数を設定した。
また、微粉炭吹込み羽口における理論燃焼温度が、天然ガス吹込み羽口における理論燃焼温度よりも300℃以上下回らないようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微粉炭と天然ガスを補助還元材としてそれぞれ別個の羽口より高炉内に吹き込む高炉操業方法に関する。

近年、炭酸ガス排出による地球温暖化が問題となっており、製鉄業においても排出CO₂の抑制は重要な課題である。高炉は主にコークスおよび微粉炭を還元材として使用しており、炭酸ガス排出抑制を達成するためにはコークス等を水素含有量の高い還元材で置換する方策が有効である。
コークス等を水素含有量の高い還元材で置換するものとして、高炉に天然ガスを羽口より吹き込むことにより製銑工程で排出される炭酸ガスを低減させる技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開平３−２４０９０６号公報

特許文献１においては、高炉全体の平均の熱・物質バランスに基づいた検討がなされている。
しかし、実際に高炉に天然ガスを吹き込む際には吹込み条件に起因する炉内の不均一性を考慮する必要があるが、特許文献１においてはこれについては考慮されていない。
そこで、本発明においては、微粉炭と共に天然ガスを補助還元材として高炉内に吹き込む際に、炉内の不均一性について考慮することにより、安定操業ができる高炉操業方法を得ることを目的としている。

羽口から補助還元材として微粉炭を吹き込む微粉炭吹込みが一般的に行われている。この微粉炭吹込みにおいては、羽口１本に対して吹き込み還元材用のランスが１本であるシングルランス配置のものと、羽口１本に対して吹き込み還元材用のランスが２本であるダブルランス配置のものがある。
このような、微粉炭吹き込み操業を実施している高炉に既存のランスを利用してさらに天然ガスを吹き込む場合、上記のシングル配置の場合には、必然的に微粉炭吹き込み専用羽口、天然ガス吹き込み専用羽口と区別される。
他方、ダブルランス配置の場合には、ランスごとに微粉炭と天然ガスとを分けて吹込むことも可能である。
しかし、ランス以外についても既存設備を流用することを考慮すると微粉炭吹き込み専用羽口、天然ガス吹き込み専用羽口と区別して使用することが、設備の改造が少なくて済むことからコスト的に有利である。

そこで、本発明においては、微粉炭、天然ガスを別個の羽口より吹き込むとことを前提として、安定的な吹込みを行うにはどうすべきかを検討した。
微粉炭、天然ガスを別個の羽口より吹き込むことにすると、各々の羽口における吹込み微粉炭比および吹込み天然ガス比は、高炉全体の平均値よりも大となり、各々の還元材を何本の羽口を介して吹き込むかによって羽口１本当たりの吹きこみ還元材原単位が異なる。そして、過度な吹きこみ還元材原単位の上昇は操業上の問題になると考えられる。

微粉炭の羽口１本当たりの吹き込み量が増大すると、送風中の酸素量に対する微粉炭中の炭素量が過大となり、未燃焼の微粉炭（未燃チャー）が生成し、炉内の通気性に悪影響を及ぼす恐れがある。
また、天然ガスを吹き込む場合、メタンの分解による吸熱作用によりレースウェイにおける火焔温度が低下するという特徴があり、羽口１本当たりの吹き込み量が増大すると火焔温度が過小となり、ガスから融体への伝熱が不良となる恐れがある。

一方、天然ガスは気体還元材であるため、未燃焼という概念はなく、微粉炭に比べると羽口１本当たりの吹き込み量が増大して送風中の酸素量に対する天然ガス中の炭素量が多くなっても微粉炭ほどの問題にはならないとも考えられる。
そこで、送風中の酸素量に対する微粉炭中の炭素量が過大となることの対策としては、微粉炭吹きこみ羽口と天然ガス吹きこみ羽口とで送風温度や酸素冨化率を変更することが考えられるが、設備の大幅な改造が必要となるので、現実的ではない。

このように、微粉炭と天然ガスを別個の羽口より吹き込むという前提では、条件によっては微粉炭、天然ガスいずれにおいても各羽口における吹込み負荷の増大による悪影響が懸念される。
そこで、微粉炭と天然ガスを別個の羽口より吹き込む場合において、吹込み負荷の増大による悪影響が生じず、安定操業達成の条件を定量的に把握する必要があるとの知見から、本発明を完成したものであり、具体的には以下の構成を有する。

（１）本発明に係る高炉操業方法は、微粉炭と天然ガスを補助還元材としてそれぞれ別個の羽口より高炉内に吹き込む高炉操業方法であって、天然ガスを吹き込む羽口数が全羽口数の70％未満になるように微粉炭吹込み羽口数および天然ガスの吹込み羽口数を設定したことを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、微粉炭吹込み羽口における理論燃焼温度が、天然ガス吹込み羽口における理論燃焼温度よりも300℃以上下回らないようにしたことを特徴とするものである。
高炉操業においては、理論燃焼温度は上限、下限を設定して管理しているが、羽口間での偏差も少ない方が望ましい。そして、微粉炭、天然ガスを別個の羽口より吹き込む場合には、各々の羽口における理論燃焼温度の値、および羽口間の値の差に留意する必要があるとの知見からその具体的数値を特定したものである。

なお、上記において、理論燃焼温度とは、火焔温度を実際に計測するのが困難であることから、この火焔温度を代替するための計算による推定値である。
この理論燃焼温度は、製銑ハンドブック（重見彰利、初版、地人書館、昭和５４年１２月１０日発行、p.217）に示される以下の計算方法による。

Ｔ＝（Ｑ_coke+Ｑ_F+Ｑ_B+Ｑ_C）/（Ｃ_ｇ・Ｖ_Ｔ） （１）

ここで、Ｔ：理論燃焼温度、Ｑ_coke：コークス中のＣがＣＯに燃焼する時の発熱量、Ｑ_F：送風とともに炉内に吹き込まれた還元材およびＨ₂Ｏ等の羽口先における反応熱（還元材中のＣがＣＯに燃焼する時の発熱量から、Ｈ_２Ｏ、ＣＨ_４等の分解熱を引いたもの）、Ｑ_B：送風の持ちこむ顕熱、Ｑ_C：燃焼帯に入ってくるコークスの顕熱、Ｃ_ｇ：燃焼生成ガスの定圧比熱、Ｖ_Ｔ：燃焼生成ガス量。

本発明においては、天然ガスを吹き込む羽口数が全羽口数の70％未満になるように微粉炭吹込み羽口数および天然ガスの吹込み羽口数を設定したので、微粉炭と天然ガスを別個の羽口より高炉内に吹き込む際に、各羽口における吹込み負荷の増大による悪影響が生じずに安定操業が可能になる。

微粉炭と天然ガスを別々の羽口から吹き込む際に安定操業を達成するための条件を導くために実高炉の操業試験を行った。以下にその実施内容と結果を示す。
使用した高炉は内容積5000m³のものであり、羽口数は40本、羽口１本に対し吹き込み還元材用のランスが１本であるシングルランス配置のものである。個々の羽口からは微粉炭と天然ガスのいずれか一方が炉内に吹き込まれる。

高炉全体としての吹き込み還元材設定値について２つのケースに分け、また微粉炭および天然ガスを吹き込む羽口の数を４つのケースに分けて試験を行ない、各々のケースにおける操業状態を調査した。
表１に吹込み還元材比の設定（ケース１，２）を示し、表２に吹込み羽口の設定を示す（ケースA〜D）。

表１に示されるように、ケース１が微粉炭比70kg/t-p、天然ガス比30kg/t-pの場合であり、ケース２が微粉炭比100kg/t-p、天然ガス比60kg/t-pの場合である。
なお、表１には理論燃焼温度を示したが、これは１つの羽口に微粉炭、天然ガスが炉平均設定値の条件で吹き込まれた場合の温度を、式（１）を用いて導出したものである。
また、ケース１，２で酸素冨化率が異なるが、これは、両ケースでボッシュガス量が同じになるように調整したためである。

表２における最上行の１〜40の数字は羽口番号を示し、その下の○印は微粉炭、天然ガスどちらを吹き込んでいるかを示すものであり、○印のある方を吹き込んでいる。
表２におけるケースＡは天然ガス吹込み羽口数が１２、微粉炭吹込み羽口数が２８の場合であり、つまり天然ガス吹込み羽口数が全羽口数の30％の場合である。
また、ケースＢは天然ガス吹込み羽口数が２０、微粉炭吹込み羽口数が２０の場合であり、つまり天然ガス吹込み羽口数が全羽口数の50％の場合である。
また、ケースＣは天然ガス吹込み羽口数が２６、微粉炭吹込み羽口数が１４の場合であり、つまり天然ガス吹込み羽口数が全羽口数の約66％の場合である。
また、ケースＤは天然ガス吹込み羽口数が２８、微粉炭吹込み羽口数が１２の場合であり、つまり天然ガス吹込み羽口数が全羽口数の70％の場合である。

実施結果を図１（ケース１の条件）、図２（ケース２の条件）に示す。図１、図２においては、それぞれ縦方向に３つのグラフが記載されている。
上段のグラフにおいては縦軸が理論燃焼温度を示し、中段のグラフでは縦軸が理論燃焼温度差（天然ガス羽口における理論燃焼温度−微粉炭羽口における理論燃焼温度）を示し、下段のグラフでは縦軸が羽口別の微粉炭または天然ガスの吹込み原単位を示している。
また、各グラフの横軸は天然ガスの吹込み羽口比率を示している。さらに、最下段には天然ガス吹き込み羽口数を記載すると共にその羽口数に対応する操業の評価を併記した。操業の評価は、◎は安定して操業できたが、△は溶銑温度や通気性の変動が大で安定操業の継続が困難であったことを示す。
なお、上段と中段のグラフにおいて微粉炭吹込み羽口および天然ガス吹き込み羽口における理論燃焼温度を示したが、これは各々のケースにおける微粉炭または天然ガスの羽口別の吹込み原単位（吹込み羽口数によって変化）と炉全体の送風条件を用いて式（１）によって導出したものである。

また、図３にケース１の、図４にケース２の１日内の溶銑温度偏差とＬＮＧ吹込み羽口数との関係を示した。

図１から分かるようにケース１の場合においては、羽口の設定におけるケースＤの場合に安定操業の継続が困難であった。このとき、図３に示されるように、日内溶銑温度偏差が大きくなっていることが分かる。
また、図１における理論燃焼温度差に着目すると、安定操業の継続が困難となった羽口の設定におけるケースＤの場合、微粉炭吹込み羽口の理論燃焼温度が天然ガス吹込み羽口の理論燃焼温度より300℃低くなっている。

また、図２から分かるようにケース２の場合においても、羽口の設定におけるケースＤの場合に安定操業の継続が困難であった。このとき、図４に示されるように、日内溶銑温度偏差が大きくなっていることが分かる。
また、図２における理論燃焼温度差に着目すると、本ケースにおいても、安定操業の継続が困難となった羽口の設定におけるケースＤの場合、微粉炭吹込み羽口の理論燃焼温度が天然ガス吹込み羽口の理論燃焼温度より300℃低くなっている。

以上の事実から安定操業達成条件を整理すると、安定操業が達成できなかったのはケース１、２とも吹込み羽口の設定におけるケースＤの場合である。これは40本の羽口中28本の羽口、すなわち全羽口の70％の羽口から天然ガスを吹き込んだケースである。逆に、これ以外のケースＡ，Ｂ，Ｃはケース１、２のいずれにおいても安定操業の継続が可能であった。
また、理論燃焼温度差については、ケース１、２のいずれの場合にも微粉炭吹込み羽口の理論燃焼温度が天然ガス吹込み羽口の理論燃焼温度より300℃低くなった場合に安定操業が達成できていない。

ケースＤの場合および微粉炭吹込み羽口の理論燃焼温度が天然ガス吹込み羽口の理論燃焼温度より300℃低くなった場合に、安定操業が達成できなかった理由としては、微粉炭吹込み羽口における未燃微粉炭の炉内の蓄積に起因する炉中心方向へのガス供給の不良が低理論燃焼温度と相俟って、融体への熱供給が著しく低下したためと推定される。

以上から、天然ガスを吹き込む羽口数が全羽口数の70％未満になるように微粉炭吹込み羽口数および天然ガスの吹込み羽口数を設定することが、高炉安定操業に有効であることが分かる。
また、微粉炭吹込み羽口における理論燃焼温度が、天然ガス吹込み羽口における理論燃焼温度よりも300℃以上下回らないようにすることが、より好ましいといえる。

本実施の形態のケース１における還元材吹込み羽口数と各羽口における理論燃焼温度、理論燃焼温度差、羽口別の微粉炭または天然ガスの吹込み原単位の関係を示すグラフである。 本実施の形態のケース２における還元材吹込み羽口数と各羽口における理論燃焼温度、理論燃焼温度差、羽口別の微粉炭または天然ガスの吹込み原単位の関係を示すグラフである。 本実施の形態のケース１における日内溶銑温度偏差とＬＮＧ吹込み羽口数との関係を示すグラフである。 本実施の形態のケース２における日内溶銑温度偏差とＬＮＧ吹込み羽口数との関係を示すグラフである。

Claims (2)

1. 微粉炭と天然ガスを補助還元材としてそれぞれ別個の羽口より高炉内に吹き込む高炉操業方法であって、天然ガスを吹き込む羽口数が全羽口数の70％未満になるように微粉炭吹込み羽口数および天然ガスの吹込み羽口数を設定したことを特徴とする高炉操業方法。
2. 微粉炭吹込み羽口における理論燃焼温度が、天然ガス吹込み羽口における理論燃焼温度よりも300℃以上下回らないようにしたことを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。

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