JP2007169749A - 製鉄所の操業方法および銑鉄とガスの製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】高炉の安定操業を行ないつつ、製鉄所全体として考えた場合に排出するＣＯ₂を削減可能な、製鉄所の操業方法および銑鉄とガスの製造システムを提供すること。
【解決手段】高炉で還元材として使用する原料の一部をコークス炉副産物で置換して、還元材比を維持しつつ高炉を操業し、製鉄所全体として使用する石炭量を削減することを特徴とする製鉄所の操業方法、または高炉で還元材として使用する原料の一部をコークス炉副産物で置換して、還元材比４８０ｋｇ／ｔ以上で高炉を操業し、製鉄所全体として使用する石炭量を削減することを特徴とする製鉄所の操業方法を用いる。コークス炉副産物を高炉羽口から吹き込むことが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、高炉操業を行なう製鉄所の操業方法に関し、特に製鉄所における二酸化炭素排出量削減方法に関する。

二酸化炭素排出量の削減は製鉄所を有する製鉄業界にとっても重要な課題である。製鉄所の中でも溶融銑鉄を生産する製銑工程は、鉄鉱石の還元と溶融に、還元材である大量のコークスと石炭を使用することから、技術者はその使用量の削減（還元材比低減）を目標として努力を重ねている。低還元材比の国内記録としては１９８１年に、一ヶ月の期間であるが３９６ｋｇ／ｔが達成された（例えば、非特許文献１参照。）。しかし、１９８１年当時より二酸化炭素排出量削減技術が進歩しているはずの現在の高炉の還元材比が５００ｋｇ／ｔ前後であることからも、３９６ｋｇ／ｔの操業が長期持続可能で無いことは明らかである。還元材比を下げるには、炉内の状態を還元平衡と、１５００℃の溶融銑鉄を作るための熱平衡の限界に近い状態で操業を行う必要がある。しかし、平衡限界に近い操業を行っている時に、操業状態になんらかの変動が発生すると、炉内溶融物の凝固とそれに伴う送酸不可という最悪の事態に直結する危険がある。高炉の操業状態は、装入される原料や銑鉄の生産量に応じて刻々と変化することを考慮すると、平衡限界に近い操業を行なうよりも、還元材比を下げすぎない状態で、余裕を持った操業を行うことが望ましい。

現在の製鉄所における安定操業状態を図２を用いて説明する。図２は製鉄所の設備におけるカーボンフローを示す説明図である。高炉１において溶銑Ａを１ｔを製造するために、コークスＤ４００ｋｇと、羽口から吹込まれる石炭（微粉炭）Ｂ１００ｋｇを使用する。コークスはコークス炉２において製造する。石炭Ｃ６２５ｋｇをコークス炉２において乾留してコークスを製造し、粒径８ｍｍ以上のコークスＤ４００ｋｇを高炉で、粒径８ｍｍ未満のコークスＥ６０ｋｇを焼結機３で使用する。コークス製造の際に発生するガスはガス清浄装置４を経てコークス炉ガス（ＣＯＧ）１２５ｋｇとして回収される。ガス清浄装置４ではタールＦ４０ｋｇを回収して、化学工場５の原料とする。ガス清浄装置４からは顕熱Ｇが放散される。高炉から発生するガス（ＢＦＧ）は、ＣＯＧと混合されて混合ガス（ＭｉｘＧ）として利用する。従って、高炉１の還元材比はコークスＤと微粉炭Ｂとの合計で５００ｋｇ／ｔであり、還元平衡と熱平衡に対して余裕をもって操業されている。このときに必要な石炭（Ｂ＋Ｃ）は７２５ｋｇ／ｔであり、炭素成分が８０ｍａｓｓ％とすると、５８０ｋｇ-C／ｔ-pigとなる。国内の一貫製鉄所は世界的にみて高エネルギー効率を達成しており、炭素は、その形態が固体、液体、気体に途中変化しつつも最終的にはＣＯ₂としてすべて使い切られるため、最終的な製鉄所排出ＣＯ₂は２．１ｔ-CO₂／ｔ-pigである。

次に、従来行なわれている高炉低還元材比操業によるＣＯ₂削減方法を、図３を用いて説明する。図３は高炉低還元材比操業を行なう場合の製鉄所の設備におけるカーボンフローを示す説明図である。コークスは微粉炭に較べ高価であるため、高炉におけるコークスＤの使用量を減らすことでコークス比を５０ｋｇ／ｔ減とする場合を例としたが、コークスの替わりに微粉炭Ｂを減らしても良い。図３においては、高炉１において溶銑１ｔを製造するために、コークスＤ３５０ｋｇと、羽口から吹込まれる石炭（微粉炭）Ｂ１００ｋｇを使用する。石炭Ｃ５４７ｋｇをコークス炉２において乾留してコークスを製造し、粒径８ｍｍ以上のコークスＤ３５０ｋｇを高炉で、粒径８ｍｍ未満のコークスＥ５３ｋｇを焼結機３で使用する。コークス製造の際に発生するガスはガス清浄装置４を経てコークス炉ガス（ＣＯＧ）１０９ｋｇとして回収される。ガス清浄装置４ではタールＦ３５ｋｇを回収して、化学工場５の原料とする。ガス清浄装置４からは顕熱Ｇが放散される。高炉から発生するガス（ＢＦＧ）は、ＣＯＧと混合されて混合ガス（ＭｉｘＧ）として利用する。従って、高炉１の還元材比はコークスＤと微粉炭Ｂとの合計で４５０ｋｇ／ｔであり、図２に比較して低還元材比操業となる。このときに必要な石炭（Ｂ＋Ｃ）は６４７ｋｇ／ｔであり、炭素成分が８０ｍａｓｓ％とすると、５１８ｋｇ-C／ｔ-pigとなる。したがって製鉄所の排出ＣＯ₂は１．９０ｔ-CO₂／ｔ-pigとなる。この試算より、安定操業状態に比べると、低還元材比操業を行なう場合には、排出ＣＯ₂は０．２ｔ-CO₂／ｔ-pig減少することになる。
梶川脩二他著 「低燃料比操業時の高炉内諸現象」鉄と鋼 １９８２年、第１５号、ｐ．２９７

低還元材比操業を行なうと、排出ＣＯ₂は減少する。しかし、上述したように低還元材比操業では還元平衡と熱平衡に近い状態で操業を行なう必要があるため、高炉操業を安定させるために格段の注意を払う必要がある。特に原料品質の低品質化は高炉操業の不安定性の主原因となるため、原料品質の向上は不可欠であり、鉄鉱石と石炭のすべてを輸入に頼る国内製鉄所にとって、高級原料への切り替えは直接溶銑コスト上昇を招く。

また、低還元材比操業は高炉での炭素の利用効率を上昇させることであるため、炉頂から排出されるガス（ＢＦＧ）中のＣＯガス濃度が低下してＣＯ₂ガス濃度が増加する。ＢＦＧとコークス炉排ガス（ＣＯＧ）は共に製鉄所内のエネルギー源として熱や発電に使用されているため、下工程ではＢＦＧのＣＯ濃度低下分のエネルギーを製鉄所の外から補充する必要が生じる。上記の低還元材比操業を行なう場合の排出ＣＯ₂量は、補充のエネルギー源としてＣＯ₂を発生しないエネルギー（火力発電以外による電力等）を用いた場合の試算であり、天然ガス、重油、電力（火力発電による）等を用いてエネルギーを補充する場合は、その過程でＣＯ₂が発生していることを考慮する必要が生じる。

実際には、現時点で還元材比４５０ｋｇ／ｔ操業を行っている高炉は国内には存在しない。今後原料を高級化したとしても、他にも様々な困難が予想され、低還元材比操業を継続して行なうことは現実的ではない。そもそも、高級原料はヨーロッパや南米に偏在しており、輸送コストの観点からもオーストラリア原料等を使用せざるを得ない日本においては、高級原料そのものが入手し難い状況である。

以上のことから、製鉄所全体から排出されるＣＯ₂を、高炉において低還元材比操業を行なうことで削減することは困難である。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、高炉の安定操業を行ないつつ、製鉄所全体として考えた場合に排出するＣＯ₂を削減可能な、製鉄所の操業方法および銑鉄とガスの製造システムを提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）高炉で還元材として使用する原料の一部をコークス炉副産物で置換して、還元材比を維持しつつ高炉を操業し、製鉄所全体として使用する石炭量を削減することを特徴とする製鉄所の操業方法。
（２）高炉で還元材として使用する原料の一部をコークス炉副産物で置換して、還元材比４８０ｋｇ／ｔ以上で高炉を操業し、製鉄所全体として使用する石炭量を削減することを特徴とする製鉄所の操業方法。
（３）コークス炉副産物を高炉シャフト部より下方の位置から高炉内に装入することを特徴とする（１）または（２）に記載の製鉄所の操業方法。
（４）コークス炉副産物を高炉羽口から吹き込むことを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の製鉄所の操業方法。
（５）高炉と、該高炉の原料であるコークスを製造するコークス炉と、該コークス炉から発生するコークス炉ガスを清浄化するガス清浄機と、該ガス清浄機で清浄化した前記コークス炉ガスを輸送して回収する配管とを備える銑鉄およびガスの製造システムにおいて、前記配管が前記コークス炉ガスの少なくとも一部を高炉に装入するために分配する分配器を備えることを特徴とする銑鉄およびガスの製造システム。
（６）ガス清浄機が、さらに、コークス炉ガスから分離したタールを輸送して回収する配管を備え、該配管がタールの少なくとも一部を高炉に装入するために分配する分配器を備えることを特徴とする（５）に記載の銑鉄およびガスの製造システム。

本発明によれば、高炉の還元材比、操業安定性、原料品質、原料コストのいずれも現状を維持したまま、製鉄所から排出される二酸化炭素量を削減できる。

製鉄所から排出される二酸化炭素量を削減可能な操業方法として、本発明では、高炉で還元材として使用される原料の一部をコークス炉副産物で置換して、銑鉄を１トン製造する際に高炉で使用する還元材の総量である還元材比を維持しつつ高炉を操業することで、製鉄所全体として使用する石炭量を削減する。すなわち、銑鉄を１トン製造する際に高炉で使用する還元材の総量である還元材比を、コークス炉副産物を高炉に装入しないときの還元材比以上を維持しつつ、高炉内に装入するものである。

コークス炉副産物とは、コークス炉においてコークスを製造する際に生成するコークス以外の副産物であり、コークス炉ガス、タール、集塵粉などである。このようなコークス炉副産物を高炉の還元材として使用することで、その分の従来の高炉の還元材原料の使用量を削減することが可能であり、製鉄所全体としての二酸化炭素量を削減できる。コークス炉副産物としては、主にタールとＣＯＧを用いることが好ましいが、集塵粉中炭素やガス清浄で消失する顕熱などを高炉で使用する還元材と置換することも効果的である。集塵粉中炭素や顕熱を高炉で利用するためにガス清浄系を改造するには多大な費用が発生するが、より多くの二酸化炭素削減量を目指すために、これらも高炉に導入することができる。

コークス炉副産物を高炉に装入しない操業のときの還元材比以上を維持することが安定操業には効果的であるが、高炉の安定操業の範囲であれば、コークス炉副産物を高炉に装入する操業の際の還元材比が多少低下することも許容可能である。また、通常の高炉の操業形態から、一時的にコークス炉副産物以外の他の還元材吹きこみ操業を行った後に、コークス炉副産物を高炉に装入するような、一時的に特殊な高炉操業を行なった後に、本発明の操業形態に移行するような場合も、本発明の範囲内である。

大型高炉を長期安定操業可能とするためには、総還元材比４８０ｋｇ／ｔ以上の操業を行なうことが好ましい。従って、高炉で還元材として使用する原料の一部をコークス炉副産物で置換して、還元材比４８０ｋｇ／ｔ以上で高炉を操業することで、製鉄所全体として使用する石炭量を削減することができる。

コークス炉副産物は、高炉の上部から装入すると飛散するため、高炉シャフト部より下方の位置から高炉内に装入することが好ましい。特に、コークス炉副産物を高炉羽口から吹き込むことが好ましいが、専用の吹込み口を高炉に設置することも可能である。

本発明の高炉の操業方法は、内容積４０００ｍ³以上の高炉において実施することが好ましい。小型高炉では経験的に従来法である低還元材比操業が容易であるため、本発明により得られる効果が小さい。また小型高炉では、二酸化炭素削減の絶対量が少ないため、内容積４０００ｍ³以上の大型高炉で実施することが好ましい。

また、コークス炉副産物と置換する高炉原料としては、二酸化炭素発生量抑制効果の観点から、カーボン分の多い固体炭素還元材を対象とすることが望ましい。

本発明を実施するには、高炉と、該高炉の原料であるコークスを製造するコークス炉と、該コークス炉から発生するコークス炉ガスを清浄化するガス清浄機と、該ガス清浄機で清浄化した前記コークス炉ガスを輸送して回収する配管とを備える銑鉄およびガスの製造システムにおいて、前記配管が前記コークス炉ガスの少なくとも一部を高炉に装入するために分配する分配器を備えることを特徴とする銑鉄およびガスの製造システムを用いることが好適である。分配器を設置することで、高炉に装入するコークス炉副産物であるコークス炉ガスの量の制御が容易であり、低コストで本発明を実施できる。

ガス清浄機が、さらに、前記ガス清浄機においてコークス炉ガスから分離したタールを輸送して回収する配管を備え、該配管がタールの少なくとも一部を高炉に装入するために分配する分配器を備えることが好ましい。これによりコークス炉ガスに加えてタールも高炉の還元材として使用することができる。

製鉄所の設備におけるカーボンフローを示す図１を用いて本発明の一実施形態を説明する。本発明を用いる場合、高炉で使用されているコークスや微粉炭などの固体炭素還元材に置換して、コークス炉ガス、タール、集塵粉などのコークス炉副産物を高炉羽口より吹き込む際に、コークスや微粉炭をそれぞれ一定割合コークス炉副産物で置換する様々な組み合わせが考えられる。本実施形態では、分かりやすい例として、全微粉炭をタールとＣＯＧに置換した場合を示す。高炉１において溶銑Ａ１ｔを製造するために、コークスＤ４００ｋｇと、羽口から吹込まれるタールＦとＣＯＧ６０ｋｇを使用する。コークスはコークス炉２において製造する。石炭Ｃ６２５ｋｇをコークス炉２において乾留してコークスを製造し、粒径８ｍｍ以上のコークスＤ４００ｋｇを高炉で、粒径８ｍｍ未満のコークスＥ６０ｋｇを焼結機３で使用する。コークス製造の際に発生するガスはガス清浄装置４を経て分配器６ａにより分配されて、一部がコークス炉ガス（ＣＯＧ）６５ｋｇとして回収され、残部である６０ｋｇが高炉に吹込まれる。ガス清浄装置４ではタールＦ４０ｋｇを回収して、分配器６ｂにより、一部を高炉に吹込み、残部を化学工場５の原料とする。図１においては回収したタールの全量を高炉吹込みに用いている。ガス清浄装置４からは顕熱Ｇが放散される。高炉から発生するガス（ＢＦＧ）は、ＣＯＧと混合されて混合ガス（ＭｉｘＧ）として利用する。従って、高炉１の還元材比はコークスＤと吹込まれたＣＯＧ、タールとの合計で５００ｋｇ／ｔであり、還元平衡と熱平衡に対して余裕をもって操業されている。このときに必要な石炭Ｃは６２５ｋｇ／ｔであり、炭素成分が８０ｍａｓｓ％とすると、５００ｋｇ-C／ｔ-pigとなる。

ガス清浄装置４におけるガス清浄の際には、ガスを冷却する必要があるが、熱間でのガス清浄が可能となれば、顕熱Gも高炉に装入して利用することができる。

図２および図３に示す従来の高炉操業方法と比較して、図１に示す本発明方法では、微粉炭分の石炭１００ｋｇ（カーボン量８０ｋｇ-C／ｔ-pig）が減少し、製鉄所全体のＣＯ₂排出量は１.８３（ｔ-CO₂／ｔ-pig）となり、還元材比４５０ｋｇ／ｔ操業を実施する図３に示す従来法での１.９０（ｔ-CO₂／ｔ-pig）を下回ることがわかる。すなわち、図１に示す本発明方法は、還元材比は図２に示す操業状態と同じ５００kg／tであるため安定操業を行いながら、高級原料使用などの格段のコストアップの必要なく、製鉄所全体のＣＯ₂排出量を削減できる。下工程で使用できるＣＯＧが減少するため、その分のエネルギーを補充する必要があるが、このコストは従来の低還元材比操業方法でも発生するため、本発明方法の優位性に影響するものではない。

本発明の製鉄所の操業方法を内容積４０００ｍ³級の高炉にて実施した。当該高炉においては、コークス比４００ｋｇ／ｔ、微粉炭比１００ｋｇ／ｔの操業を行っていた。還元材比は５００ｋｇ／ｔである。微粉炭吹込みを、発生タール全量（４０ｋｇ／ｔ）とＣＯＧ４０ｋｇ／ｔの吹きこみに１０日間試験的に変更したところ、出銑量の大きな変動も無く、特にトラブルの発生も無く、操業を継続することができ、本発明による操業が安定して可能であることを確認した。微粉炭１００ｋｇ／ｔ分の炭素還元材を削減できたので、その分の製鉄所全体のＣＯ₂排出量を削減することができた。

本発明の一実施形態であり、製鉄所の設備におけるカーボンフローを示す説明図。 現在の製鉄所における安定操業状態であり、製鉄所の設備におけるカーボンフローを示す説明図。 高炉低還元材比操業を行なう場合の、製鉄所の設備におけるカーボンフローを示す説明図。

符号の説明

１ 高炉
２ コークス炉
３ 焼結機
４ ガス清浄装置
５ 化学工場
６ａ、６ｂ 分配器
Ａ 溶銑
Ｂ 石炭（微粉炭）
Ｃ 石炭
Ｄ 粒径８ｍｍ以上のコークス
Ｅ 粒径８ｍｍ未満のコークス
Ｆ タール
Ｇ 顕熱

Claims (6)

1. 高炉で還元材として使用する原料の一部をコークス炉副産物で置換して、還元材比を維持しつつ高炉を操業し、製鉄所全体として使用する石炭量を削減することを特徴とする製鉄所の操業方法。
2. 高炉で還元材として使用する原料の一部をコークス炉副産物で置換して、還元材比４８０ｋｇ／ｔ以上で高炉を操業し、製鉄所全体として使用する石炭量を削減することを特徴とする製鉄所の操業方法。
3. コークス炉副産物を高炉シャフト部より下方の位置から高炉内に装入することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の製鉄所の操業方法。
4. コークス炉副産物を高炉羽口から吹き込むことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の製鉄所の操業方法。
5. 高炉と、該高炉の原料であるコークスを製造するコークス炉と、該コークス炉から発生するコークス炉ガスを清浄化するガス清浄機と、該ガス清浄機で清浄化した前記コークス炉ガスを輸送して回収する配管とを備える銑鉄およびガスの製造システムにおいて、前記配管が前記コークス炉ガスの少なくとも一部を高炉に装入するために分配する分配器を備えることを特徴とする銑鉄およびガスの製造システム。
6. ガス清浄機が、さらに、コークス炉ガスから分離したタールを輸送して回収する配管を備え、該配管がタールの少なくとも一部を高炉に装入するために分配する分配器を備えることを特徴とする請求項５に記載の銑鉄およびガスの製造システム。

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