JP2009235482A - 高炉操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気体還元材を吹き込む高炉操業において、羽口内での圧損を低減させつつ、燃焼性を確保して、安定した高炉操業を行ない、気体還元材の吹き込み量を増大して、還元材比を削減できる高炉操業方法を提供すること。
【解決手段】少なくとも２重管構造を有する多重管構造のランス１を用い、ランス１の最内管２から気体還元材３を炉内に吹きこみ、最内管の外側の管４から支燃性を有しない気体状物質５を炉内に吹きこむことを特徴とする高炉操業方法を用いる。気体還元材３として、メタン、プロパン、水素、ＣＯのうちから選ばれた少なくとも１種以上を含む還元ガスを吹き込むこと、支燃性を有しない気体状物質５が、不活性ガス、水蒸気、炭酸ガスのうちから選ばれた少なくとも１種以上のガスを含み、かつ線流速ｖ２を気体還元材のランス先端線流速ｖ１の１．５倍以上として吹き込むことが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は天然ガス等の気体還元材を吹き込む高炉操業に関し、通気性改善、特に羽口周りの圧損を低減しつつ、還元材比の削減を同時に図る高炉操業方法に関する。

高炉の生産弾力性向上、コークス炉の老朽化対策として高炉の還元材比低減が重要な課題となっている。また、製銑工程からのＣＯ₂発生を抑制して、地球環境保全に資する観点からも高炉の還元材比削減は緊急の課題となっている。

製銑工程からのＣＯ₂発生を削減する技術として、水素を多く含む気体状還元材（メタンを主成分とする天然ガス、プロパンを主成分とするＬＰＧ、コークス炉ガスＣＯＧ、ジメチルエーテルなど）を羽口から吹き込む技術が知られている。炭素の代わりに水素を還元材として利用することにより、発生するＣＯ₂を大幅に削減することが可能と考えられている。さらに水素投入が炉内現象に及ぼす効果としては、
・低密度、低粘度によるシャフト部での圧損緩和、
・還元速度上昇によるシャフト効率上昇と還元材比低下、還元率低下によるボッシュガス量低下、
・融着帯の鉱石の溶け落ち性改善と、これに伴う圧損低下、
・水素還元率上昇に伴うソルロス負荷低下と、これによるコークス粉化軽減と炉下部充填層の粉率低下、
など、高炉内において様々な圧損緩和効果を有する。

上述の気体還元材は羽口内およびレースウェイ内で完全燃焼すると考えられる。この結果、燃焼熱を高炉の熱源として有効に利用できるため、高いコークス置換率を達成することができる。また、灰分を含まないので、微粉炭使用時のようにレースウェイ奥に通気性の悪い層（シェル層と呼ぶ。）の形成も避けられるので、炉下部通気性維持の観点からも有効である。

しかしながら、反面、係る気体還元材の吹きこみ後の着火・燃焼速度は極めて速いため、羽口内では燃焼に伴うガスボリューム増、ガス温度の上昇によってガス流速が著しく増加する。この結果、羽口内での圧損が大となり、これに伴い送風圧が大きく上昇する。この現象は吹きこみ量が多いほど顕著であり、場合によっては、送風圧条件の制約緩和の観点から、吹きこみ量を下げざるを得ない場合もある。

一方、高炉の羽口１本を模擬したホットモデル実験により、微粉炭とメタンガスの燃焼特性を比較検討した結果によると、
ａ）同一吹きこみ量の場合、微粉炭より天然ガスの方が燃焼焦点位置（レースウェイ内の温度最高点、ＣＯ₂濃度のピーク位置に一致）が羽口先端に近づくこと、
ｂ）燃焼焦点位置が羽口先に近づくほどレースウェイ深度が浅くなること、
などが分かった。この傾向はメタンガスをプロパンガスに変更した場合も同様であった。

よって、気体還元材吹きこみ時には、上述の羽口内圧損上昇ばかりか、燃焼焦点の羽口先への接近により、炉下部、特にボッシュ壁部への熱負荷が大きく上昇し、ヒートロス上昇の原因になることが予測され、長期間に亘る操業の末にはボッシュ部ＣＳ（クーリングステーブ）などの破損にも繋がりかねない。さらにレースウェイ深度の低下は炉芯方向への熱伝達を低下させ、高炉炉下部の熱レベルを低下させる可能性もあり望ましくない（例えば、特許文献１〜４参照。）。

また、気体還元材の安定吹込みのために、特許文献３、４では、ランスを２重管構造とし、内管から気体還元材を外管から冷却用の気体（窒素、空気、これらの混合物など）を流す方法が開示されているが、あくまでランス保護を目的としており、羽口内での圧損が大となり、これに伴い送風圧が大きく上昇する問題は依然として残っている。
特開２００６−１２４７６９号公報 特開２００６−２４１５８６号公報 特開２００６−３１２７５６号公報 特開２００６−３１２７５７号公報

上記のように、安定した気体還元材吹きこみ操業を継続させる、あるいは気体還元材の吹きこみ量をさらに増加させていくためには、羽口内での圧損上昇を緩和しつつ、燃焼性も確保できる気体還元材吹きこみ技術の開発が求められていた。

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、気体還元材を吹き込む高炉操業において、羽口内での圧損を低減させつつ、燃焼性を確保して、安定した高炉操業を行ない、気体還元材の吹き込み量を増大して、還元材比を削減できる高炉操業方法を提供することにある。

以上のような課題を解決し、安定した気体還元材吹きこみ操業を達成するためには、気体還元材の羽口内での燃焼速度を遅くすることが有効との知見を得て、本発明を完成させるに至った。

本発明はこのような知見に基づきなされたもので、その特徴は以下の通りである。
（１）少なくとも２重管構造を有する多重管構造のランスを用い、該ランスの最内管から気体還元材を炉内に吹きこみ、前記最内管の外側の管から支燃性を有しない気体状物質を炉内に吹きこむことを特徴とする高炉操業方法。
（２）気体還元材として、メタン、プロパン、水素、ＣＯのうちから選ばれた少なくとも１種以上を含む還元ガスを吹き込むことを特徴とする（１）に記載の高炉操業方法。
（３）支燃性を有しない気体状物質が、不活性ガス、水蒸気、炭酸ガスのうちから選ばれた少なくとも１種以上のガスを含み、かつ線流速を気体還元材のランス先端線流速の１．５倍以上として吹き込むことを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉操業方法。

本発明によれば、気体還元材の周囲に、熱風との接触を防止する気体状物質を存在させることができるので、そのシース効果により、少なくとも羽口内では気体還元材の着火・燃焼を遅らせることができる。これにより、羽口内での気体還元材の燃焼に伴う圧損増加を緩和でき、気体還元材の吹きこみ量の増大、ならびに高炉の安定操業に大きく寄与する。

本発明の一実施形態を図１を用いて説明する。

高炉への気体還元材の吹き込みは、羽口に接続したブローパイプを貫通させて設置したランスを用いて行う。本発明においては、この気体還元材吹き込みランスとして、少なくとも２重管構造を有する多重管構造のランスを用いる。図１は多重管構造のランスとして２重管構造のランス１を用いた場合の一例であり、ランスの長さ方向における縦断面図である。ランスの最内管である内管２から、メタン、プロパン、水素、ＣＯのうち少なくとも１種類以上を含む気体還元材３を吹きこみ、同時にその外側の管である外管４から支燃性を有しない気体状物質５を吹き込む。すなわち、支燃性を有しない気体状物質５は、内管２と外管４との間隙から吹き込むことになる。

外管４から支燃性を有しない気体状物質を吹き込む理由は、支燃性を有しない気体状物質で内管２から吹き込まれた気体還元材の周囲を取り囲むシース効果によって、気体還元材と熱風との接触を抑制し、気体還元材の燃焼速度を低下させるためである。したがって、支燃性を有する気体状物質、具体的には空気、酸素ガス、あるいはこれらの混合ガスの外管４への導入は気体還元材の燃焼速度をむしろ増加させることになり、用いることができない。

従って、気体還元材の燃焼速度を低下させることのできる、支燃性を有しない気体状物質として、入手し易さおよび安価な観点から、窒素、アルゴンなどの不活性ガス、および水蒸気、炭酸ガスが挙げられる。このうち、少なくとも１種類を単独で、または２種類以上を混合して吹き込めば良い。吹き込みに用いる、多重管構造のランスとしては、図1に示すように直管構成で、最内管から気体還元材を、その外側から支燃性を有しない気体状物質が、気体還元材を囲うように吹き込まれる構造とする。ランスが３重管以上の構造を有する場合は、支燃性を有しない気体状物質は、最内管以外であれば、外側のいずれの管から吹き込んでもよい。係る支燃性を有しない気体状物質が、最内管から吹き込まれた気体還元材の周囲を取り囲むシース効果によって、気体還元材と熱風との接触を抑制することができる。

このとき、支燃性を有しない気体状物質のランス先端での線流速（図１におけるｖ２）は、気体還元材のランス先端流速（図１におけるｖ１）の１．５倍以上とする。１．５倍未満の場合は、支燃性を有しない気体状物質が熱風中に拡散、混合し易いため、上述のシース効果が十分に得られないためである。

ランスの形式は上記のように多重管構造であり、少なくとも２重管構造であれば良い。内管と外管のみを有する２重管、ないしは、これにランス保護のための空気や冷却水を流通させるための第２の外管をさらに付加した３重管構造としても良い。内管と外管の先端は、略同一か、外管が内管を覆うように突出させた構成として上述のシース効果を確保する。上記の特許文献４ではランスを２重管構造とし、内管から気体還元材を、外管から冷却用の気体（窒素、空気、これらの混合物など）を流す方法が開示されているが、あくまでランス保護を目的としており、本発明のようなシース効果を積極的に利用して気体還元材の燃焼速度を遅らせることを意図するものではないため、内管は外管よりも突出しており、シース効果が得られ難い構造となっている。

気体状還元材に加えて、微粉炭や廃プラスチックなどの固体還元材、重油などの液体還元材を同時に吹き込む場合のランス構造に関しては特に限定されるものではない。固体ないし液体還元材専用のランスを気体状還元材と同一の羽口に装着しても、羽口ごとに吹きこみ還元材の種類を変えても良い。

縮尺１／２の羽口を１本有するホットモデル実験装置を用い、気体還元材の燃焼試験を行った。送風温度は１２００℃、羽口先風速は１８０ｍ／ｓで一定とした。実験に使用したランスは図１に示す２重管ランスであり、内管に気体還元材を、外管（外管と内管の隙間部分）に各種支燃性を有しない気体状物質を流すことができる。比較のため単管ランスも使用した（Ｃａｓｅ１）。実験条件を表１に示す。内管から吹き込む気体還元材はメタンとし、吹きこみ量は１０ｋｇ／ｈ（３０ｋｇ／ｔ相当）一定とした。そして外管から吹き込む支燃性を有しない気体状物質の種類を表１に示すように変更させた（Ｃａｓｅ２〜６）。流量は１５Ｎｍ³／ｈとした。実験中に送風圧および２色温度計による燃焼火炎温度の測定を行った。実験終了後には炉を解体し、レースウェイ深度の測定を行った。

結果を表１に併せて示す。Ｃａｓｅ１の単管ランスからメタンのみを吹き込んだ場合に比較し、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３のように支燃性ガス（酸素）を含むガスを外管に吹き込んだ場合は、火炎温度、送風圧ともに上昇しており、燃焼の促進が圧損上昇に結び付いていることが分かる。

一方、Ｃａｓｅ４〜６のように支燃性を有しない気体状物質を外管に吹き込んだ場合は火炎温度、送風圧ともに低下していることから、明らかに燃焼を遅らせる効果があることが分かる。レースウェイ深度に着目すると、Ｃａｓｅ４〜６ではＣａｓｅ１〜３に比べて拡大している。このような条件下では炉下部通気性の改善、炉下部の着熱改善が図れるものと推測される。

内管の径が同一で、外管と内管の隙間の面積が種々に異なる２重管ランスを用い、実施例１と同様な実験を行った。実験条件を表２に示す。内管から吹き込む気体還元材はプロパンとし、吹きこみ量は１０ｋｇ／ｈ（３０ｋｇ／ｔ相当）一定とした。外管（外管と内管の隙間部分）から吹き込む支燃性を有しない気体状物質としては窒素を採用し、流量は１５Ｎｍ³／ｈで一定とした。外管と内管の隙間の面積が異なるので、窒素（支燃性を有しない気体状物質）のランス先端部分での線流速は表１に示すように変化する。実験中に送風圧の測定を行い、送風圧に及ぼす吹き込みガスのランス先端部分での線速度の影響を調べた。結果を表２および図２に示す。

図２によれば、気体還元材線速度（ｖ１）に対する支燃性を有しない気体状物質線速度（ｖ２）の比率である線速度比が１．５以上となると圧損が急激に低下することが分かる。

従って、外管から吹き込む気体状物質の線速度を内管から吹き込む気体還元材の線速度の１．５倍以上とすることにより、気体還元材の燃焼抑制効果が得られるものと判断される。

実高炉における効果を確認するため、内容積５０００ｍ³、微粉炭吹きこみ比１２０ｋｇ／ｔ、コークス比３７０ｋｇ／ｔで操業している高炉で気体還元材の吹きこみ試験を実施した。

比較のため、まず、単管ランスを全羽口に挿入し、天然ガスを３０ｋｇ／ｔで吹き込み、同時に羽口先燃焼温度確保のために酸素富化率を２％から５％に増加させた。天然ガス燃焼の結果、送風圧は３．６５ｋｇ／ｃｍ²から３．７５ｋｇ／ｃｍ²へ上昇したが、コークス比は３５ｋｇ／ｔ減少した。

次いで、送風条件を全く同一の条件に保持し、単管ランスを２重管ランスに変更した。

そして、内管から天然ガスを３０ｋｇ／ｔで、外管（外管と内管の隙間部分）から窒素を０．７６Ｎｍ³／ｍｉｎで吹き込んだ。このときの天然ガスと窒素のランス先端部分での線速度はそれぞれ２０、３２ｍ／ｓであった。ランス変更後、送風圧は３．７５ｋｇ／ｃｍ²から３．６９ｋｇ／ｃｍ²まで急激に低下した。この値は天然ガス吹きこみ前より僅かに高いものの、単管ランスの場合の送風圧上昇が大きく抑制できており、単管ランス使用時は、天然ガスを吹き込むと、吹き込まれた天然ガスが急激に燃焼してガスボリュームが増大するのに対し、２重管ランスを用い外管と内管の隙間部分から窒素を吹き込んだ本発明例では、天然ガスの燃焼を抑制した効果が現れたものと推定される。

本発明で用いるランスの一実施形態を示す概略図。 送風圧と線速度比の関係を示すグラフ。

符号の説明

１ ランス
２ 内管
３ 気体還元材
４ 外管
５ 支燃性を有しない気体状物質

Claims (3)

1. 少なくとも２重管構造を有する多重管構造のランスを用い、該ランスの最内管から気体還元材を炉内に吹きこみ、前記最内管の外側の管から支燃性を有しない気体状物質を炉内に吹きこむことを特徴とする高炉操業方法。
2. 気体還元材として、メタン、プロパン、水素、ＣＯのうちから選ばれた少なくとも１種以上を含む還元ガスを吹き込むことを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
3. 支燃性を有しない気体状物質が、不活性ガス、水蒸気、炭酸ガスのうちから選ばれた少なくとも１種以上のガスを含み、かつ線流速を気体還元材のランス先端線流速の１．５倍以上として吹き込むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高炉操業方法

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