JP2011153371A - 高炉操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】普通高炉の操業において、低ＲＡＲ操業時の炉況不調、特に炉上部での装入物の昇温不良を防止することができるとともに、吹き込みガスとして高炉ガスのような低発熱量ガスを用いる場合であっても、これを安定して燃焼させて予熱ガスとすることができ、且つその予熱ガスを所定の炉内圧を有する高炉内に安定して吹き込むことができる高炉操業方法を提供する。
【解決手段】予熱ガスをシャフト部に設けられたガス吹込部Ａから高炉内に吹き込むに当たり、ガス吹込部Ａを、先端が開放された管状の燃焼室の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を形成し、前記燃焼室の先端を高炉内部と連通させたガス燃焼・吹込装置ａで構成し、該ガス燃焼・吹込装置ａの燃焼ガスを予熱ガスとして高炉内に吹き込む。
【選択図】図１

Description

本発明は、安定した低還元材比操業を実施するための高炉操業方法および高炉設備に関する。

近年、炭酸ガス排出量の増加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。これを受け、最近の高炉操業では低還元材比（低ＲＡＲ）操業が強力に推進されている。
しかしながら、ＲＡＲ（Reduction
Agent Ratio：銑鉄１ｔ製造当たりの、吹き込み燃料と炉頂から装入されるコークスの合計量）が低下すると原理的に送風量が低下し、この結果、シャフト上部においては装入物の昇温が遅れ、順調な還元が達成されなくなる。加えて、亜鉛化合物などの壁付きが助長され、風圧変動や荷下がり異常などの炉況不調を招くことが懸念される。また、炉頂温度が低下して１００℃を割り込むような場合には、排ガス中の水分が配管内に凝縮する問題が生じる。

通常の高炉操業において、上述したような各種炉況不調、特に炉上部での装入物の昇温不良を防止するには、以下のような対策が採られるのが通例である。
（a）酸素富化率を下げ、ガス量を増加させる（熱流比を下げ、ガス温度を上昇させる）。
（b）微粉炭などの燃料吹き込み量を増加させる（熱流比を下げ、ガス温度を上昇させる）。
（c）還元効率（シャフト効率）を下げ、還元材比を高くする。

しかしながら、上記（a）の対策は生産量低下に繋がるため望ましくない。上記（b）は吹き込み能力の余裕代に依存するが、能力限界近くで操業している製鉄所では、その増加量に制約がある。また、燃料吹き込み量を増加させた場合には、ボッシュガス量が増えて生産量を低下させるため、酸素富化を同時に実施する必要がある。しかし、使用できる酸素量にも供給能力上の制限がある。上記（c）はわざわざ効率を下げた操業を指向することで、ＣＯ₂削減に関する本来の目的に逆行する。
このように、普通高炉において低ＲＡＲ操業を行なう場合、通常の操業範囲内での操業条件の変更により各種炉況不調、特に炉上部の昇温不良を回避することは困難である。

特許文献１には、上述した課題、すなわち普通高炉（酸素富化率が１０体積％以下の羽口熱風吹込みを行なう高炉）において低ＲＡＲ操業を行った場合にシャフト上部での装入物の昇温が遅れるという課題を解決するために、炉頂温度が１１０℃以下となった場合に、炉頂ガス量の１０体積％以下の量のガスをシャフトガスとしてシャフト上部から炉内に吹き込む方法が示されている。また、同文献には、炉頂部から排出された後、ガスクリーニング装置を通過した高炉ガスの一部を抜き出し、燃焼炉で加熱した後、上記シャフトガスとして使用することが示されている。

特開２００８−２１４７３５号公報 特開昭６２−２７５０９号公報

大野ら，「鉄と鋼」日本鉄鋼協会 75（1989年），p.1278

特許文献１の方法では、高炉ガスを燃焼炉で加熱（予熱）してから炉内に吹き込むものであるが、その吹き込みガスは十分に予熱され、しかも吹き込む位置の炉内圧よりも高い圧力を有する必要がある。
しかし、純酸素送風を行う所謂酸素高炉プロセス（例えば、特許文献２、非特許文献１参照）とは異なり、普通高炉プロセスで発生する高炉ガスは低発熱量であるため、燃焼炉で所望の温度まで昇温させるのが難しい場合があり、例えば、高発熱量の補助燃料を使用するなどの対策が必要になる場合がある。また、高炉ガスは低発熱量であるため、通常の燃焼炉では燃焼温度のバラツキが生じやすく、またこのため、燃焼ガス中に酸素が残り、炉内に吹き込まれた際に還元中の鉄酸化物（Ｆｅ₂Ｏ₃、ＦｅＯ）を再酸化させてしまう問題がある。また、所定の炉内圧を有する高炉内に安定して予熱ガスを吹き込むことも難しい。

したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、普通高炉の操業において、低ＲＡＲ操業時の炉況不調、特に炉上部での装入物の昇温不良を防止することができるとともに、吹き込みガスとして高炉ガスのような低発熱量ガスを用いる場合であっても、これを安定して燃焼させて予熱ガスとすることができ、且つその予熱ガスを所定の炉内圧を有する高炉内に安定して吹き込むことができる高炉操業方法および高炉設備を提供することにある。

本発明者らは、上記従来技術の課題を解決するために、特に予熱ガスの生成・吹込手段を中心に検討を行った結果、従来、加熱炉や燃焼機器に使用されている管状火炎バーナの方式を利用したガス燃焼・吹込装置をシャフト部に設け、このガス燃焼・吹込装置の燃焼ガスを予熱ガスとして炉内に吹き込むことにより、高炉ガスのような低発熱量ガスを用いる場合であっても、これを安定して燃焼させて予熱ガスとすることができ、且つその予熱ガスを所定の炉内圧を有する高炉内に安定して吹き込むことができることを見出した。
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

［1］空気または酸素富化空気を羽口送風する高炉操業において、
予熱ガスをシャフト部に設けられたガス吹込部（Ａ）から高炉内に吹き込むに当たり、ガス吹込部（Ａ）を、先端が開放された管状の燃焼室の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を形成し、前記燃焼室の先端を高炉内部と連通させたガス燃焼・吹込装置（ａ）で構成し、該ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼ガスを予熱ガスとして高炉内に吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。

［2］空気または酸素富化空気を羽口送風する高炉操業において、
予熱ガスをシャフト部に設けられたガス吹込部（Ａ）から高炉内に吹き込むに当たり、ガス吹込部（Ａ）を、先端が開放された管状の燃焼室の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように該内壁面のほぼ接線方向に燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を形成し、前記燃焼室の先端を高炉内部と連通させたガス燃焼・吹込装置（ａ）で構成し、該ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼ガスを予熱ガスとして高炉内に吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。

［3］上記［1］または［2］の高炉操業方法において、ガス燃焼・吹込装置（ａ）に供給される燃料ガスが高炉ガスであることを特徴とする高炉操業方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかに高炉操業方法において、燃焼室の内壁面に形成された開口を通じて燃焼室内に燃料ガスと支燃ガスを各々供給するためのガスノズル若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを供給するためのガスノズルが、装置の軸線方向で並列した複数のノズル管で構成されたガス燃焼・吹込装置（ａ）を用いることを特徴とする高炉操業方法。
［5］上記［1］〜［4］のいずれかの高炉操業方法において、ガス燃焼・吹込装置（ａ）において、燃焼室内のガス流のスワール数Ｓwを３〜１０とすることを特徴とする高炉操業方法。

［6］上記［1］〜［5］のいずれかの高炉操業方法において、ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼室内に、燃焼ガスを希釈してガス温度または／およびガス組成を調整する希釈ガスを供給することを特徴とする高炉操業方法。
［7］上記［1］〜［6］のいずれかの高炉操業方法において、ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼室の先端を、ガス導管を介して高炉内部と連通させることを特徴とする高炉操業方法。
［8］上記［7］の高炉操業方法において、ガス導管がヘッダー管であり、該ヘッダー管には、炉体に形成された複数のガス吹込口が連絡管を介して接続されるとともに、ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼室の先端が接続されることを特徴とする高炉操業方法。

［9］空気または酸素富化空気を羽口送風する高炉において、
ガス吹込部（Ａ）をシャフト部に設け、ガス吹込部（Ａ）を、先端が開放された管状の燃焼室の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を形成し、前記燃焼室の先端を高炉内部と連通させたガス燃焼・吹込装置（ａ）で構成し、該ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼ガスが高炉内に吹き込まれるようにしたことを特徴とする高炉設備。

［10］空気または酸素富化空気を羽口送風する高炉において、
ガス吹込部（Ａ）をシャフト部に設け、ガス吹込部（Ａ）を、先端が開放された管状の燃焼室の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように該内壁面のほぼ接線方向に燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を形成し、前記燃焼室の先端を高炉内部と連通させたガス燃焼・吹込装置（ａ）で構成し、該ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼ガスが高炉内に吹き込まれるようにしたことを特徴とする高炉設備。
［11］上記［9］または［10］の高炉設備において、高炉の炉頂部から排出された高炉ガスの流路から高炉ガスの一部を抜き出し、ガス燃焼・吹込装置（ａ）に供給するための流路を備えることを特徴とする高炉設備。

［12］上記［9］〜［11］のいずれかの高炉設備において、ガス燃焼・吹込装置（ａ）に供給される燃料ガスと支燃ガスを各々昇圧するための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを昇圧するための昇圧機を備えることを特徴とする高炉設備。
［13］上記［9］〜［12］のいずれかの高炉設備において、ガス燃焼・吹込装置（ａ）において、燃焼室の内壁面に形成された開口を通じて燃焼室内に燃料ガスと支燃ガスを各々供給するためのガスノズル若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを供給するためのガスノズルが、装置の軸線方向で並列した複数のノズル管で構成されることを特徴とする高炉設備。

［14］上記［9］〜［13］のいずれかの高炉設備において、ガス燃焼・吹込装置（ａ）は、燃焼室内に、燃焼ガスを希釈してガス温度または／およびガス組成を調整する希釈ガスを供給する手段を有することを特徴とする高炉設備。
［15］上記［9］〜［14］のいずれかの高炉設備において、ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼室の先端を、ガス導管を介して高炉内部と連通させることを特徴とする高炉設備。
［16］上記［15］の高炉設備において、ガス導管がヘッダー管であり、該ヘッダー管には、炉体に形成された複数のガス吹込口が連絡管を介して接続されるとともに、ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼室の先端が接続されることを特徴とする高炉設備。

本発明によれば、普通高炉の操業において、低ＲＡＲ操業時の炉上部での装入物の昇温不良を防止できるとともに、炉頂温度低下による水分凝縮や亜鉛化合物の壁付き等も効果的に抑えることができるので、低ＲＡＲ操業を安定的に実施することができる。しかも、ガス吹込部を管状火炎バーナタイプのガス燃焼・吹込装置で構成することにより、吹き込みガスとして高炉ガスのような低発熱量ガスを用いる場合であっても、これを安定して燃焼させて予熱ガスとすることができ、且つその予熱ガスを所定の炉内圧を有する高炉内に安定して吹き込むことができる。

本発明の一実施形態を模式的に示す説明図 図１の実施形態において、ガス吹込部Ａを構成するガス燃焼・吹込装置ａの一実施形態を示す部分切欠平面図 図２のIII−III線に沿う断面図 図１の実施形態において、ガス吹込部Ａを構成するガス燃焼・吹込装置ａの他の実施形態を示す部分切欠平面図 図４のガス燃焼・吹込装置ａを部分的に示す底面図 図４のVI−VI線に沿う断面図 図４のVII−VII線に沿う断面図 実施例の燃焼試験で用いた試験装置を示す説明図 実施例で行った燃焼試験における燃焼室内圧力と有効熱利用率との関係を示すグラフ 本発明で使用されるガス燃焼・吹込装置ａにおいて、開口１１a，１１bが形成された位置での燃焼室内部の径方向断面を模式的に示す説明図 本発明で使用されるガス燃焼・吹込装置ａにおいて、開口１１a，１１bが形成された位置での燃焼室内部の径方向断面を模式的に示す説明図 本発明におけるガス吹込部Ａの設置形態の一例を、炉体を水平断面した状態で模式的に示す説明図 本発明におけるガス吹込部Ａの設置形態の他の例を、炉体を水平断面した状態で模式的に示す説明図 本発明におけるガス吹込部Ａの設置形態の他の例を、炉体を水平断面した状態で模式的に示す説明図

本発明は、空気または酸素富化空気を羽口送風する高炉操業、すなわち普通高炉の操業を対象とする。酸素富化空気を羽口送風する場合には、通常、酸素富化率２０体積％以下、好ましくは１０体積％以下での操業が行われる。なお、酸素富化率が増加するにしたがい炉内を通過するガス量が減り、シャフト上部を昇温するために必要な吹き込みガス量が大幅に増加するため、この点からも、上記のような酸素富化率での操業が好ましい。

図１は、本発明の一実施形態を模式的に示す説明図である。図において、１は高炉、２はその羽口であり、この羽口２から熱風と補助還元材（例えば、微粉炭、ＬＮＧなど）が炉内に吹き込まれる。
高炉１の炉頂部から排出された高炉ガス（炉頂ガス）は、ガス清浄装置であるダストキャッチャー３でダストを除去され、同じくミストセパレータ４で水分を除去された後、炉頂ガス発電装置５に導かれ、炉頂ガスの圧力が電気として回収された後、系外に導かれる。

本発明では、シャフト部（好ましくはシャフト中部〜上部）に設けられたガス吹込部Ａから高炉内にガスを吹込む。このようにしてガスを炉内に吹き込む主たる目的は、低ＲＡＲ操業による送風量の低下を補い、炉上部でのガス流量を確保するためであるが、無用に炉頂ガス温度を低下させるような温度のガスを吹き込むことは発明の主旨に反するので、吹き込みガスとしては予熱ガスを用いる。
このようにガス吹込部Ａから予熱ガスを高炉内に吹き込むに当たり、本発明では、ガス吹込部Ａを、先端が開放された管状の燃焼室の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を形成し、前記燃焼室の先端を高炉内部と連通させたガス燃焼・吹込装置ａで構成し、このガス燃焼・吹込装置ａの燃焼ガスを予熱ガスとして高炉内に吹き込むものである。

このようなガス燃焼・吹込装置ａの基本構造は、例えば、特開１１−２８１０１５号公報に示されるような管状火炎バーナとして知られたものである。しかし、この管状火炎バーナは、加熱炉や燃焼機器用として開発され、使用されてきたものであり、高炉のガス吹込手段に適用することについては、全く検討されていなかった。また、近年の高炉操業は高圧条件で行われ、予熱ガスは吹き込み位置の炉内圧よりも高い圧力に昇圧して吹き込む必要があるが、管状火炎バーナは常圧状態での使用を前提としており、上記のような圧力条件下で使用することについても、全く検討されていなかった。これに対して本発明では、高炉ガスなどの低発熱量ガスを燃焼させて予熱し、これを高炉のシャフト部から炉内に吹き込む手段として、管状火炎バーナタイプのガス燃焼・吹込装置ａが非常に優れた機能を有することを見出したものである。

図１の実施形態では、炉頂部から排出された後、ガス清浄装置（ダストキャッチャー３およびミストセパレータ４）、炉頂ガス発電装置５を経た高炉ガスの一部を抜き出し、昇圧機６aで昇圧した後、ガス吹込部Ａを構成するガス燃焼・吹込装置ａに燃料ガスとして導入する。高炉１の炉頂部から排出される高炉ガスの流路８のうち、炉頂ガス発電装置５の下流側の流路部分から、高炉ガスの一部をガス燃焼・吹込装置ａに供給するための流路９が分岐している。
また、ガス燃焼・吹込装置ａには、酸素や酸素含有ガス（空気、酸素富化空気など）である支燃ガスが供給されるが、この支燃ガスも昇圧機６bで昇圧した後、ガス燃焼・吹込装置ａに導入する。なお、ガス燃焼・吹込装置ａで燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを用いる場合には、事前に昇圧機６a，６bで燃料ガスと支燃ガスを別々に昇圧してもよいし、予混合ガスを単一の昇圧機６で昇圧してもよい。

図２および図３は、ガス吹込部Ａを構成するガス燃焼・吹込装置ａの一実施形態を示すもので、図２は部分切欠平面図、図３は図２中のIII−III線に沿う断面図である。
図において、１０は先端が開放された管状（円筒状）の燃焼室、１２aは燃料ガス用のガスノズル、１２bは支燃ガス用のガスノズルである。
前記燃焼室１０は、その先端が炉体に設けられたガス吹込口１６に接続されることで高炉内部と連通している。この燃焼室１０の内方（後端側）の内壁面１００には、燃焼室内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための開口１１a，１１b（ノズル口）が形成され、これら開口１１a，１１bに、それぞれ前記ガスノズル１２a，１２bが接続されている。前記開口１１a，１１b（ノズル口）は、燃焼室１０内に吹き込んだガスが旋回流となるよう、燃焼室１０の軸芯を外した方向（偏芯方向）にガスを吹き込むように形成される。本実施形態の開口１１a，１１bは、内壁面１００のほぼ接線方向に燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むように形成されている。

前記開口１１a，１１bは、管軸方向に沿ったスリット状に形成され、内壁面１００（内周面）で１８０°対向する位置に設けられている。これら開口１１aと開口１１bはそれぞれ複数設けてもよく、その場合には、各開口１１a，１１bに対してガスノズル１２a，１２bが接続される。
なお、この実施形態では、燃焼室１０の先端をガス吹込口１６に直接接続することで高炉内部と連通させているが、燃焼室１０の先端を適当なガス導管（例えば、図１３、図１４に示すようなヘッダー管）を介して高炉内部と連通させてもよい。この場合には、燃焼室１０の先端から排出された燃焼ガスはガス導管を経て高炉内に吹き込まれる。

ここで、開口１１a，１１b（ノズル口）からは、燃焼室１０内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込めばよいが、特に、ガス旋回流が後述するような好ましいスワール数Ｓw（旋回を伴う流体の流れにおいて旋回の強さを表す無次元数）の範囲となるように、開口１１a，１１bからのガスの吹き込み方向を設定するのが好ましい。図１０は、開口１１a，１１bが形成された位置での燃焼室内部の径方向断面を模式的に示している。このような燃焼室１０の径方向断面において、内壁面１００の周方向における開口１１a，１１bの端部のうち、開口１１a，１１bから吐出して旋回するガス流の旋回（回転）方向における先端側の端部を点ｐとし、この点ｐにおける内壁面１００の接線をｘ、開口１１a，１１bから吐出するガス流の中心線（＝ガスノズル１２a，１２bの軸芯）をｙ、接線ｘとガス流中心線ｙとが成す角度をガス吹込み角度θとした場合、このガス吹込み角度θを、好ましいスワール数Ｓwの範囲（Ｓw：３〜１０）となるように設定することが好ましい。すなわち、ガスノズル１２aの内径から算出される開口１１aでの燃料ガス速度をＶf、ガスノズル１２bの内径から算出される開口１１bでの支燃ガス速度をＶaとした場合、接線ｘ方向での燃料ガス速度成分Ｖf1と支燃ガス速度成分Ｖa1は以下のようになる。
Ｖf1＝Ｖf×cosθ
Ｖa1＝Ｖa×cosθ
そして、このＶf1、Ｖa1を開口１１a，１１bでのガス速度として算出されるスワール数Ｓwが所定の好ましい範囲になるように、ガス吹込み角度θを決めることが好ましい。スワール数Ｓwの求め方は、後述のとおりである。

一方、ガス燃焼・吹込装置ａの構造面から言うと、ガス燃焼・吹込装置ａは、燃焼室１０の内壁面１００に、該内壁面のほぼ接線方向に燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための開口１１a，１１bを形成した構造のものが好ましい。これは、そのような構造にしておけば、ガス量やガス速度の変更や変化に拘わりなく、好ましいスワール数Ｓwを実現できるからである。具体的には、図１０に示すガス吹込み角度θを３０°以下、より好ましくは１０°以下とすることが望ましい。このガス吹込み角度θが大きくなると、ガス量やガス速度によっては、内壁面１００に沿ったガス旋回流を適切に形成できなくなる恐れがある。本実施形態、後述する図４〜図７の実施形態では、いずれもガス吹込み角度θ≒０°〜５°程度である。

このようなガス燃焼・吹込装置ａでは、ガスノズル１２aに燃焼ガスである高炉ガスが、ガスノズル１２bに支燃ガスがそれぞれ供給され、これら燃料ガスと支燃ガスは開口１１a，１１b（ノズル口）から燃焼室１０内に吹き込まれる。この燃料ガスと支燃ガスは、燃焼室１０の内壁面１００に沿って旋回流を形成しながら燃焼し、火炎が形成される。
なお、このガス燃焼・吹込装置ａは、燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを用いてもよく、この場合には、燃焼室１０の内壁面１００に、燃焼室１０内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるように燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための１つ以上の開口１１（ノズル口）が形成され、この開口１１に予混合ガス供給用のガスノズル１２が接続される。前記開口１１は、図２および図３の開口１１a，１１bと同様、燃焼室１０内に吹き込んだガスが旋回流となるよう、燃焼室１０の軸芯を外した方向（偏芯方向）にガスを吹き込むように形成されるが、特に、内壁面１００のほぼ接線方向にガス（予混合ガス）を吹き込むように形成されることが好ましい。なお、この開口１１からも燃焼室１０内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるようにガスを吹き込めばよいが、ガスの吹込み方向の好ましい設定方法や、バーナ構造として好ましいガス吹込み角度θは、さきに図１０に基づいて説明した開口１１a，１１bと同様である。

支燃ガスとして空気などの酸素含有ガス、酸素ガスを用いることができるが、本発明は支燃ガスとして空気を用いる場合に特に有用である。支燃ガスの供給量は、安定した燃焼状態を維持するのに必要な量である。支燃ガスとして空気を用いる場合、通常、空気比１以上となるように供給される。空気比とは、燃料の燃焼に必要な理論的な空気量と実際に供給する空気量の比（実際の空気量／理論空気量）であり、空気比１で燃料ガスは完全燃焼し、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏとなる。空気比が１未満の条件では不完全燃焼となり、安定した燃焼が継続できなくなる。また、空気比が過剰の場合には希薄燃焼となり、この場合も安定な燃焼状態が維持できない。したがって、通常は空気比１．０〜１．５の範囲で支燃ガスを供給することが好ましい。
燃料ガスと支燃ガスのノズル（開口）からの噴出速度に特に制限はないが、両者は同程度の速度であることが好ましい。

以上のようなガス燃焼・吹込装置ａにおいて、ガスノズル１２a，１２bおよび開口１１a，１１bから燃焼室１０内に吹き込まれて旋回流を形成する燃料ガスと支燃ガス（または両者の予混同ガス）はガスの密度差によって層別され、火炎の両側に密度の異なるガス層ができる。すなわち、旋回速度の小さい軸心側には高温の燃焼排ガスが存在し、旋回速度の大きい内壁面１００側には未燃焼のガスが存在するようになる。また、内壁面１００近傍では、旋回速度が火炎伝播速度を上回っているため、火炎は内壁面近傍に留まることはできない。このため、燃焼室１０内には管状の火炎が安定的に生成する。また、燃焼室１０の内壁面付近には未燃焼のガスが存在しているので、燃焼室１０の内壁面が直接的な伝熱により高温に加熱されることはない。そして、燃焼室１０内のガスは旋回しながら先端側へ流れるが、その間、内壁面１００側のガスが順次燃焼して軸心側へ移動し、燃焼ガスが開放した先端から排出され、ガス吹込口１６を通じて高炉内に吹き込まれる。

図４〜図７は、本発明で使用されるガス燃焼・吹込装置ａの他の実施形態を示すもので、図４はガス燃焼・吹込装置ａの部分切欠平面図、図５はガス燃焼・吹込装置ａを部分的に示す底面図、図６は図４中のVI−VI線に沿う断面図、図７は図４中のVII−VII線に沿う断面図である。
図４〜図７の実施形態では、燃料ガス用のガスノズル１２aと支燃ガス用のガスノズル１２bが、それぞれバーナ軸方向で並列した複数のノズル管１２０a，１２０bで構成されている。このようにガスノズル１２a，１２bを複数のノズル管１２０a，１２０bで構成するのは、後述するように、ガスノズル１２a，１２bによって燃焼室１０内で適切な旋回流が形成されるようにしつつ、スワール数Ｓｗを所定の好ましい範囲にするためである。

図２および図３の実施形態と同様、前記燃焼室１０の内方（後端側）の内壁面１００には、燃焼室１０内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための開口１１a，１１b（ノズル口）が形成されるが、これら開口１１a，１１bも各々複数の開口１１０a，１１０bで構成されている。そして、各開口１１０aにそれぞれ前記ノズル管１２０aが接続され、各開口１１０bにそれぞれ前記ノズル管１２０bが接続されている。前記開口１１０a，１１０bは、燃焼室１０内に吹き込んだガスが旋回流となるよう、燃焼室１０の軸芯を外した方向（偏芯方向）にガスを吹き込むように形成される。本実施形態の開口１１０a，１１０bは、内壁面１００のほぼ接線方向に燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むように形成されている。

また、前記ガスノズル１２a，１２b（開口１１a，１１b）よりも燃焼室先端寄りの位置には、燃焼ガスを希釈してその温度および／または組成を調整する希釈ガスを燃焼室１０内に供給するためのガスノズル１４が設けられている。このガスノズル１４は、燃焼ガスを希釈するガスを供給するものであるため、燃焼室１０内でのガス燃焼を妨げない位置に設ければよく、燃焼室長手方向での設置（接続）位置に特別な制限はないが、本実施形態では、燃焼室長手方向の中央位置よりも燃焼室先端寄りの位置に設けられている。

ガスノズル１４は単一のノズル管で構成してもよいが、本実施形態では、バーナ軸方向で並列した複数のノズル管１４０で構成されている。ガスノズル１４が設置される位置の燃焼室１０の内壁面１００には、燃焼室１０内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるように、同内壁面のほぼ接線方向に希釈ガスを吹き込むための開口１５（ノズル口）が形成され、この開口１５に前記ガスノズル１４が接続されている。本実施形態では、開口１５は複数の開口１５０で構成され、各開口１５０にそれぞれ前記ノズル管１４０が接続されているが、開口１５を管軸方向に沿ったスリット状の単一の開口とし、これに単一のガスノズル１４を接続してもよい。なお、この希釈ガス用の開口１５は、必ずしも燃焼室１０内でガス旋回流が生じるようにガスを吹き込むような構造としなくてもよい。

図４〜図７に示す実施形態のガス燃焼・吹込装置ａの他の構造、機能は、図２および図３に示す実施形態のガス燃焼・吹込装置ａと同じであるので、詳細な説明は省略する。
また、前記開口１１０a，１１０bからも燃焼室１０内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるようにガスを吹き込めばよいが、ガスの吹込み方向の好ましい設定方法や、バーナ構造として好ましいガス吹込み角度θは、さきに図１０に基づいて説明した開口１１a，１１bと同様である。
なお、この実施形態でも、燃焼室１０の先端をガス吹込口１６に直接接続することで高炉内部と連通させているが、燃焼室１０の先端を適当なガス導管（例えば、図１３、図１４に示すようなヘッダー管）を介して高炉内部と連通させてもよい。この場合には、燃焼室１０の先端から排出された燃焼ガスはガス導管を経て高炉内に吹き込まれる。

本発明で使用するガス燃焼・吹込装置ａでは、燃焼室１０内で高温の燃焼ガスが発生し、例えば、高炉ガスの理論燃焼温度は空気比１．０で約１３００℃となる。このような燃焼ガスを予熱ガスとして高炉内に吹き込む場合、吹き込まれた燃焼ガス中のＣＯ_２によって炉内のコークスが消費され、或いは炉内で還元された鉄鉱石（マグネタイト）が再酸化されることがないよう、燃焼ガスを希釈してその温度や組成を管理することが好ましい。本実施形態では、そのような目的で、燃焼ガスの温度および／または組成を調整するための希釈ガスをガスノズル１４から燃焼室１０内に供給する。

使用する希釈ガスの種類は、燃焼ガスに添加する目的（ガス温度調整および／またはガス組成調整）に応じて適宜選択すればよいが、燃焼ガスの組成を調整するという面からは、ＣＯ、Ｈ_２などの還元ガスを含むものが好ましい。例えば、高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガス等の１種以上を用いることができ、特に、高炉ガスの一部を抜き出して希釈ガスとして用いることが好ましい。
また、後述するように高炉内に吹き込む予熱ガスの温度は５００℃以上、好ましくは８００℃以上、１０００℃以下が望ましいので、このような予熱ガス温度になるように希釈ガスの温度と供給量が選択されることが好ましい。
なお、燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むためのガスノズルを有するガス燃焼・吹込装置ａについても、そのガスノズルをバーナ軸方向で並列した複数のノズル管で構成することができる。また、このガス燃焼・吹込装置ａにおいても、上記のような希釈ガス用のガスノズル１４と開口１５を設けることができる。

本発明法では、燃焼室１０内でのガス流のスワール数Ｓwを３〜１０の範囲とするのが好ましい。スワール数は、旋回を伴う流体の流れにおいて旋回の強さを表す無次元数であり、スワール数が大きいほど旋回の強い流れとなる。スワール数が小さ過ぎると燃料ガスと支燃ガスの混合が不十分となり、燃料ガスの着火が安定しなくなり、一方、大き過ぎると燃焼火炎が吹き消える場合がある。以上の観点から、スワール数Ｓwは３〜１０の範囲が好ましい。

スワール数Ｓwは、これを算出するための公知の基本式に従い、使用するガス燃焼・吹込装置ａの形式やその使用形態に応じた式で算出することができ、例えば、図２および図３の実施形態のような、燃料ガス吹き込み用の開口１１aと支燃ガス吹き込み用の開口１１bを有するガス燃焼・吹込装置ａを用いる場合には、スワール数Ｓwは下式により求めることができる。

また、燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を有するガス燃焼・吹込装置ａを用いる場合には、スワール数Ｓwは下式により求めることができる。

スワール数Ｓwを上記のような好ましい範囲にする当たり、図４〜図７の実施形態のように、燃料ガス用のガスノズル１２aと支燃ガス用のガスノズル１２bを、それぞれバーナ軸方向で並列した複数のノズル管１２０a，１２０bで構成することが好ましい。これは以下のような理由による。例えば、燃焼室内径：５０ｍｍ、高炉ガス量：３０Ｎｍ^３／ｈ（ガス密度：１．３４ｋｇ／Ｎｍ^３）、空気量：２１．４Ｎｍ^３／ｈ（ガス密度：１．２９ｋｇ／Ｎｍ^３）、空気比：１．１、高炉の炉内圧：２４５ｋＰaという条件の場合、ガスノズル１２a，１２bがそれぞれ単一（１本）のノズル管で構成されるとすると、スワール数Ｓwが３となるノズル管の内径（円換算の内径。すなわち、ノズル管内部の断面積を円の面積に換算した時の当該円の直径。以下、「ノズル管の内径」という場合には、同様の意味とする。）は、ガスノズル１２aが２１ｍｍ（開口１１aでの燃料ガス速度：７ｍ／ｓ）、ガスノズル１２bが２１ｍｍ（開口１１bでの支燃ガス速度：５ｍ／ｓ）となる。しかし、このようにガスノズル１２a，１２bを単一のノズル管で構成した場合には、図２のII-II線断面において、ノズル管の内径が燃焼室内径の約４／１０となり、燃料ガスおよび支燃ガスとも、燃焼室中心方向（軸心）への流れが増加し、良好な旋回流が形成されにくくなる。このため軸心側に存在する高温燃焼排ガスが冷却される恐れがあり、本発明の効果が低下する可能性がある。図１１は、開口１１a，１１bが形成された位置での燃焼室内部の径方向断面を模式的に示しており、燃焼室１０の半径をＲ、燃焼室径方向でのガスノズル１２a，１２bの内部幅または実内径をｔとしたとき、開口１１a，１１bから吹き込まれるガス流の中心位置（＝ガスノズル１２a，１２bの軸芯）は、燃焼室１０の中心から距離（Ｒ−ｔ／２）の位置にある。ここで、Ｒに対してｔが大きくなると、燃焼室中心方向（軸心）への流れが増加して良好な旋回流が形成されにくくなり、管状火炎が管壁から離れた位置に形成されて燃焼が不安定となりやすい。このような観点から（Ｒ−ｔ／２）／Ｒ≧０．８が好ましいが、上記の例ではこの好ましい条件から外れてしまう。

これに対して、ガスノズル１２a，１２bをバーナ軸方向で並列した複数のノズル管１２０a，１２０bで構成した場合には、ノズル管１本当たりの内径が小さくなるので、上記のような問題が生じにくく、スワール数Ｓwを好ましい範囲にしつつ、良好な旋回流を生じさせることができる。そのため、燃料ガス用のガスノズル１２aと支燃ガス用のガスノズル１２bは、それぞれバーナ軸方向で並列した複数のノズル管１２０a，１２０bで構成することが好ましい。同様の理由で、燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むためのガスノズルを有するガス燃焼・吹込装置ａについても、そのガスノズルをバーナ軸方向で並列した複数のノズル管で構成することが好ましい。

また、図４〜図７に示すガス燃焼・吹込装置ａの場合には、高炉内に吹き込まれた燃焼ガス中のＣＯ_２によってコークスが消費され、或いは炉内で還元された鉄鉱石（マグネタイト）が再酸化されることがないよう、燃焼ガスを希釈してその温度や組成を管理するために、ガスノズル１４から希釈ガスが燃焼室１０内に供給される。さきに述べたように、希釈ガスとしては、ＣＯ、Ｈ_２などの還元ガスを含むものが好ましく、例えば、高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガス等の１種以上を用いることができ、なかでも高炉ガスの一部を抜き出して希釈ガスとして用いることが好ましい。また、後述するように、炉内に吹き込まれる予熱ガスの温度は５００℃以上、望ましくは８００℃以上、１０００℃以下が好ましいので、そのような予熱ガス温度になるように希釈ガスの温度と供給量が選択されることが好ましい。

本発明において、以上述べたような管状火炎バーナタイプのガス燃焼・吹込装置ａを用いることにより得られる効果を、従来の他のタイプのガスバーナを用いた場合と比較して説明する。
従来、工業的に用いられているガスバーナは、燃料ガスと支燃ガスの混合方式によって、拡散燃焼方式（外部混合）のバーナと、予混合燃焼方式（内部混合）のバーナとに大別されるが、これらのガスバーナは、いずれもバーナ先端よりも前方に火炎が形成される構造になっている。したがって、このようなガスバーナをガス燃焼・吹込装置ａとして用いた場合、火炎が高炉上部から降下する装入物（鉄鉱石、コークス）に直接あたり、コークスのソリューションロス反応を生じさせ、コークスが無用に消費されるなどの問題を生じる。

また、純酸素送風を行う酸素高炉プロセスの炉頂ガスは、窒素が少なくＣＯが主体のガスであるため、発熱量が高い（例えば、約１２００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）。このため上記のような従来の一般的なガスバーナでも、特に問題なく燃料ガスとして使用することができる。これに対して本発明が対象とする普通高炉プロセスで発生する高炉ガスは発熱量が低く（例えば、約８００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）、上記のような従来の一般的なガスバーナに適用しても安定燃焼は難しい。また、低ＲＡＲ操業を指向した場合には、高炉ガスの発熱量はさらに低下する。例えば、高炉内物質熱収支モデルで計算すると、高炉ガスの発熱量は、（1）ＲＡＲ４９４ｋｇ／ｔ相当の操業では８８９ｋｃａｌ／Ｎｍ^３、（2）ＲＡＲ４６０ｋｇ／ｔ相当の操業では８１２ｋｃａｌ／Ｎｍ^３、（3）ＲＡＲ４３７ｋｇ／ｔ相当の操業では７５８ｋｃａｌ／Ｎｍ^３、（4）ＲＡＲ４２６ｋｇ／ｔ相当の操業では７２４ｋｃａｌ／Ｎｍ^３となり、同計算では、高炉炉頂ガスの温度は１１０℃以下となる。そこで、例えば、炉頂部から排出された高炉ガスの一部を抜き出し、酸素で燃焼させた予熱ガスをシャフト部から炉内に吹込み、高炉炉頂ガス温度を１１０℃以上に保持した場合、高炉ガス発熱量はさらに低下する。例えば、上記（2）の操業において、８００℃の予熱ガスを１００Ｎｍ^３／ｔ吹込んだ場合、高炉ガス発熱量は７８６ｋｃａｌ／Ｎｍ^３となり、また、上記（3）の操業において、８００℃の予熱ガスを１５０Ｎｍ^３／ｔ吹込んだ場合、高炉ガス発熱量は７１５ｋｃａｌ／Ｎｍ^３となる。このような低ＲＡＲ操業による高炉ガス発熱量の低下は、上記のような従来の一般的なガスバーナによる安定した燃焼をさらに困難とする。
また、通常の高炉は４〜５ｋｇ／ｃｍ^２の加圧下で操業されるとともに、高炉上部から装入物が降下するため常時圧力変動がある。また、高炉炉壁への付着物の生成に起因する吹抜け等も発生する。上記のような従来の一般的なガスバーナでは、これらの要因によっても火炎の安定性が阻害され、吹き消え等も起こるおそれがある。

以上のような従来の一般的なガスバーナの問題に対して、本発明において管状火炎バーナタイプのガス燃焼・吹込装置ａを用いることにより、次のような効果が得られる。
（a）燃焼室１０内でガスが燃焼し、燃焼室１０の外側には火炎が存在しないので、高炉上部から降下する装入物（鉄鉱石、コークス）に直接火炎があたらず、装入物に与える影響が少ない。また、同じく燃焼室１０の外側に火炎が存在しないので、高炉の炉内圧やその変動、吹抜けなどに影響されることなく、安定した火炎が形成され、所望の温度の燃焼ガスを炉内に安定的に吹き込むことができる。

（b）炉内に吹き込む予熱ガスは、吹き込む位置の炉内圧よりも高い圧力を有する必要があり、したがって、実質的にガス燃焼・吹込装置ａの燃焼室１０内では加圧下でガス燃焼が生じることが必要であるが、このように燃焼室１０が加圧状態になることにより、特に高炉ガスのような低発熱量ガスでも安定して燃焼させることが可能となる。ガス燃焼・吹込装置ａでは、燃焼室１０内に安定的な火炎が形成され、燃料ガスと支燃ガス（酸素）との混合性もよいため、ガスを効率的且つ均質に燃焼させることが可能であるが、特に、上述したように燃焼室１０が加圧状態になることにより、標準状態での発熱量に対して、ガス密度が増加することから見掛けの発熱量が増加する。このため、燃料ガスが高炉ガスのような低発熱量ガスであっても、或いは燃料ガス成分の濃度が非常に低い場合であっても、安定して燃焼させることが可能となる。

（c）同じく燃焼室１０が加圧状態になることにより、ガス密度が高くなり、燃料ガスの保有する熱量を有効に燃焼ガスに伝えることができる。特に、燃焼室１０の内壁面１００付近には未燃焼のガスおよび支燃ガスが存在しているので、燃焼室１０の内壁面１００が直接的な伝熱により高温に加熱されることがなく、管壁からの熱損失が少ないことにより、その効果がより高まる。
（d）ガス吹込部Ａから吹き込む予熱ガスは、酸素（Ｏ₂としての酸素ガス。以下同様）を含まない或いは酸素濃度が低いことが好ましい。予熱ガスに酸素があると炉内で還元中の鉄酸化物（Ｆｅ₂Ｏ₃、ＦｅＯ）を再酸化させるためである。この点、ガス燃焼・吹込装置ａは、燃焼室１０内で安定な火炎が形成されることにより酸素利用効率が高く、特に燃焼室１０が加圧状態になることにより、酸素利用効率をより高めることが可能となり、理論酸素量より少ない酸素量で安定した燃焼が可能となる。したがって、酸素を含まない若しくは酸素濃度が非常に低い予熱ガスを炉内に吹き込むことができる。
（e）燃焼室１０内で安定な火炎が形成されることによって、炉内に吹き込まれる予熱ガス（燃焼ガス）の温度のバラツキが小さく、炉下部からの高炉ガスと炉上部から降下する装入物の温度をばらつきなく上昇させることができる。

通常、高炉ガスを昇圧機６に導く流路９には、高炉ガスの組成、温度および圧力などを測定するセンサー７_Ａが設置され、また、ガス吹込部Ａ近傍には炉内圧力、温度を測定するセンサー７_Ｂが設置され、これらのセンサー７_Ａ，７_Ｂの測定値に基づき、昇圧機６a，６bで昇圧するガス圧力、ガス燃焼・吹込装置ａに投入する支燃ガス量などが制御される。
ガス吹込部Ａからの予熱ガスの吹き込みは、常時行ってもよいし、炉頂ガス温度が低下した場合にのみ行ってもよい。後者の場合には、例えば、炉頂ガス温度をセンサーで測定し、炉頂ガス温度が所定温度以下（例えば、１１０℃以下）となった場合に、ガス吹込部Ａから予熱ガスの吹き込みを行う。

ガス吹込部Ａから吹き込む予熱ガスの温度に特別な制限はないが、吹込む位置の炉内ガス温度より低いと、炉内を逆に冷やしてしまうため、吹込む位置の炉内ガス温度よりも高い温度が好ましく、一般的には５００℃以上、好ましくは８００℃以上が望ましい。一方、高炉内でのソリューションロス反応を抑え、或いは装置の耐熱性を高めるための設備（材料）コストを抑えるという観点からは、予熱ガスの温度は１０００℃以下が好ましい。予熱ガス中にＣＯ_２やＨ_２Ｏが含まれる場合において、予熱ガス温度が１０００℃を超えると、ＣＯ_２やＨ_２Ｏと炉内のコークスが以下のような反応（ソリューションロス反応）を生じやすくなり、コークスが消費されてしまう。
Ｃ（コークス）＋ＣＯ_２→２ＣＯ
Ｃ（コークス）＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２

また、予熱ガス中にＣＯ_２やＨ_２Ｏのような酸化性のガスが含まれない場合には、上記反応によるコークスの消費はないが、装置（構成部材）を高価な耐熱材料で構成する必要があり、設備コストが増大する。
予熱ガス温度を調整するには、例えば、使用する燃料ガスの組成を変えてガス熱量を調整する、所定の範囲内で空気比を調整するなどのほか、図４〜図７のように燃焼ガスに希釈ガスを添加する場合には、希釈ガスの温度と供給量を調整してもよい。

予熱ガスの吹き込み量にも特別な制限はなく、一般には炉頂ガス温度を１００℃以上に維持できるようなガス吹き込み量とすればよい。例えば、ＲＡＲ４７０ｋｇ／ｔ相当の操業で、８００℃の予熱ガスを１００Ｎｍ^３／ｔ吹き込めば、炉頂ガス温度を１００℃以上に維持することができる。
炉高方向でのガス吹込部Ａの設置位置（予熱ガスの吹き込み位置）はシャフト中部〜上部が好ましく、特に、炉口半径をＲ_０とし、ストックラインからの深さがＲ_０の位置をｐ_１、シャフト部下端からの高さがシャフト部全高の１／３の位置をｐ_２としたとき、炉高方向において位置ｐ_１と位置ｐ_２との間にガス吹込部Ａを設置し、このガス吹込部Ａから予熱ガスを吹き込むことが好ましい。予熱ガスの吹き込み位置が浅すぎる（上方位置すぎる）と、原料充填層の荷重が小さいため、原料の流動化や撹拌が生じて、原料降下の安定性が低下するおそれがある。一方、予熱ガスの吹き込み位置が深すぎる（下方位置すぎる）と炉内の軟化融着帯にかかってしまうおそれがあるので好ましくない。

炉周方向におけるガス吹込部Ａの設置数や設置形態は特に限定しないが、炉周方向において等間隔で複数箇所に設けることが好ましい。特に、各ガス吹込部Ａが１つのガス吹込口１６とこれに接続される１つのガス燃焼・吹込装置ａで構成される場合、少なくとも、ガス吹込部Ａを炉周方向において等間隔でｎ箇所（但し、ｎは４以上の偶数）に設け、予熱ガスの吹き込み総量に応じて、前記ｎ箇所のガス吹込部Ａのなかから、予熱ガスの吹き込みを行うガス吹込部Ａを炉周方向において等間隔に選択することが好ましい。この場合のガス吹込部Ａの等間隔での設置数は４，８，１６，３２，６４などである。なお、実際の設備では、ガス吹込部Ａを炉周方向で厳密に等間隔に設けることは、炉体冷却構造等との関係から困難な場合もあるので、設置する位置の若干のずれは許容される。

各ガス吹込部Ａは、上記のように１つのガス吹込口１６とこれに接続される１つのガス燃焼・吹込装置ａで構成してもよいが（図２〜図７の実施形態はこれに該当する）、複数のガス吹込口１６と、これにヘッダー管を介して接続される１つまたは２つ以上のガス燃焼・吹込装置ａで構成してもよい。
図１２〜図１４は、ガス吹込部Ａの種々の設置形態を、炉体を水平断面した状態の模式図で示したものである。このうち図１２の実施形態は、ガス吹込部Ａを１つのガス吹込口１６とこれに接続される１つのガス燃焼・吹込装置ａで構成し、このガス吹込部Ａを炉周方向において間隔をおいて複数設けたものである。このような実施形態では、ガス吹込口１６毎に予熱ガスの吹き込み条件（予熱ガス温度、吹込量など）を調整することができる。なお、図１２では、一部（２つ）のガス吹込部Ａについてのみガス燃焼・吹込装置ａを図示してある。

一方、図１３と図１４の実施形態は、ガス吹込部Ａを、複数のガス吹込口１６と、これにヘッダー管を介して接続されるガス燃焼・吹込装置ａで構成したものである。このような実施形態では、ガス燃焼・吹込装置ａの燃焼室１０から排出された燃焼ガスは、ヘッダー管を経て複数のガス吹込口１６から高炉内に吹き込まれる。
図１３の実施形態は、ガス吹込口１６を炉周方向において間隔をおいて複数設けるとともに、これらガス吹込口１６を複数のガス吹込口群１７a〜１７dに分け、これら各ガス吹込口群１７a〜１７dにそれぞれヘッダー管１８を配してある。そして、これらのヘッダー管に、各ガス吹込口群１７a〜１７dを構成する複数のガス吹込口１６を連絡管１９を介して接続するとともに、ガス燃焼・吹込装置ａの燃焼室１０の先端を接続してある。このような実施形態では、ガス吹込口群１７a〜１７d毎に予熱ガスの吹き込み条件（予熱ガス温度、吹込量など）を調整することができる。
なお、この実施形態では、１つのヘッダー管１８に対して１つのガス燃焼・吹込装置ａを接続しているが、２つ以上のガス燃焼・吹込装置ａを接続してもよい。

また、図１４の実施形態は、ガス吹込口１６を炉周方向において間隔をおいて複数設けるとともに、炉全周に沿った環状のヘッダー管１８を配してある。そして、このヘッダー管１８に、全部のガス吹込口１６を連絡管１９を介して接続するとともに、ガス燃焼・吹込装置ａの燃焼室１０の先端を接続してある。
なお、この実施形態では、ヘッダー管１８に１つのガス燃焼・吹込装置ａを接続しているが、２つ以上のガス燃焼・吹込装置ａを接続してもよい。

本発明は、低発熱量であって且つ至近場所から導入可能な高炉ガスをガス燃焼・吹込装置ａの燃料ガスとして用いることが好ましい実施形態であり、なかでも、炉頂部から排出された高炉ガスの一部を適当な流路位置から抜き出し、燃料ガスとして用いることが特に好ましい実施形態である。但し、燃料ガスとして高炉ガス以外のガスを用いてもよく、また、高炉ガスとそれ以外のガス（例えば、コークス炉発生ガス）を混合して用いてもよい。また、高炉ガスとしては、ガス清浄装置（ダストキャッチャー３，ミストセパレータ４）の下流側から抜き出した高炉ガス、炉頂部とガス清浄装置間から抜き出した高炉ガス、ガスホルダーに貯蔵されている高炉ガスなどを用いてもよい。

本発明で使用するガス燃焼・吹込装置ａの機能を検証するため、図８に示す構造の試験装置（ガス燃焼・吹込装置ａに相当する装置）を用い、燃料ガス（低発熱量ガス）および支燃ガス（空気）の供給圧力を高めた燃焼試験を行った。この試験装置の燃焼室は、内径：５０ｍｍ、全長：３００ｍｍであり、その内壁面に形成された燃料ガス吹き込み用の開口（ノズルスリット）は長さ：４８ｍｍ、幅：５ｍｍ、同じく支燃ガス吹き込み用の開口（ノズルスリット）は長さ：３１ｍｍ、幅：５ｍｍである。
燃料ガスとして用いた低発熱量ガスは、ガス組成がＣＯ：２２vol％、ＣＯ_２：２１vol％、Ｈ_２：５vol％、Ｎ_２：５２vol％であり、発熱量が７９２ｋｃａｌ／Ｎｍ^３である。この燃料ガス３０Ｎｍ^３／ｈに対して、理論酸素量が１となるように空気１９．５Ｎｍ^３／ｈを供給した。

図９は、燃焼室内圧力と燃焼ガス温度の計測値（燃焼室の先端寄りの位置に設置された熱電対で計測）から算出された有効熱利用率との関係を示すものである。なお、有効熱利用率は下式により算出される。
有効熱利用率＝｛（Ｅ×Ｆ）／（Ｃ×Ｇ）｝×１００
Ｅ：燃焼ガスの保有しているエンタルピー（kcal／Ｎｍ^３）
Ｆ：燃焼ガス流量（Ｎｍ^３／ｈ)
Ｃ：燃料ガス発熱量（kcal／Ｎｍ^３）
Ｇ：燃料ガス流量（Ｎｍ^３／ｈ)
図９によれば、燃焼室内圧力が高くなると、有効熱利用率は向上し、燃料ガスが有効に熱に変換されたことが示されている。

次に、燃料ガス用のガスノズルと支燃ガス用のガスノズルを構成するノズル管の本数が異なるガス燃焼・吹込装置ａ（試験装置）を用い、表１に示す条件で、燃料ガス（高炉ガス）および支燃ガス（空気）を用いた燃焼試験を行った。ここで、各ガスノズルが１本（単一）のノズル管で構成されるガス燃焼・吹込装置ａとは、図２および図３の実施形態のような構造のガスノズルを有する装置（バーナ）であり、各ガスノズルが複数本のノズル管で構成されるガス燃焼・吹込装置ａとは、図４〜図７の実施形態のような構造のガスノズルを有する装置（バーナ）である。
各ガス燃焼・吹込装置ａの燃焼室は、内径：５０ｍｍ、全長：７００ｍｍであり、燃料ガス用のガスノズルと支燃ガス用のガスノズルをそれぞれ構成するノズル管の本数は、試験例１：５本、試験例２：４本、試験例３：２本、試験例４：１本、試験例５：４本、試験例６：２本である。

試験例１〜４で使用したガス燃焼・吹込装置ａは、燃料ガス吹き込み用のガスノズルを構成するノズル管の内径が１０ｍｍ、同じく支燃ガス吹き込み用のガスノズルを構成するノズル管の内径が１０ｍｍである。試験例５で使用したガス燃焼・吹込装置ａは、燃料ガス吹き込み用のガスノズルを構成するノズル管の内径が６ｍｍ、同じく支燃ガス吹き込み用のガスノズルを構成するノズル管の内径が６ｍｍである。試験例６で使用したガス燃焼・吹込装置ａは、燃料ガス吹き込み用のガスノズルを構成するノズル管の内径が１０ｍｍ、同じく支燃ガス吹き込み用のガスノズルを構成するノズル管の内径が１０ｍｍである。

燃料ガスとして用いた高炉ガスは、ガス組成がＣＯ：２３．５vol％、ＣＯ_２：２３．０vol％、Ｈ_２：１．５vol％、Ｎ_２：５２vol％であり、発熱量が７５４ｋｃａｌ／Ｎｍ^３である。この燃料ガス：３０Ｎｍ^３／ｈに対して、理論酸素量が１となるように、支燃ガスとして空気：１９．４Ｎｍ^３／ｈを供給した。適用した試験炉の炉内圧は２４５kPaである。
試験例６では、燃料ガス・支燃ガスの吹き込み位置中心からバーナ軸方向で５００ｍｍ離れた位置に希釈ガス用のガスノズル（内径２０ｍｍ）を設けたガス燃焼・吹込装置ａを用い、燃焼室から排出される燃焼排ガス温度が８００℃になるように、希釈ガス（高炉ガス）を２４．５Ｎｍ^３／ｈ供給した。この希釈ガスの添加により、燃焼ガス組成はＣＯ（還元ガス）を８．４vol％含むものとなった。

試験例１〜６において、燃焼室内の観察（図８に示すような覗窓からの観察）と燃焼排ガスのガス組成分析を行い、燃焼状況を下記基準で評価した。その結果を、ガスノズルの構成、ガス流量、スワール数Ｓw、燃焼ガス組成（試験例６では、希釈ガスを添加した後のガス組成）などとともに表１に示す。
×：燃焼状況に脈動がみられ、相当量の未燃のＣＯが測定された。
○：安定した燃焼が継続し、未燃のＣＯも殆ど測定されなかった（但し、試験例６のＣＯ濃度は希釈ガス混合によるもの）

［実施例１］
炉内容積５０００ｍ^３の高炉において、図２および図３に示すようなガス燃焼・吹込装置ａを用い、図１に示すような実施形態で本発明を実施した。炉頂ガス発電装置５の下流側から抜き出した高炉ガスを昇圧機６aで炉内圧より０．２ａｔｍ高い圧力に昇圧し、ガス吹込部Ａを構成するガス燃焼・吹込装置ａに燃料ガスとして導入した。また、同様に酸素を昇圧機６bで昇圧し、ガス燃焼・吹込装置ａに支燃ガスとして導入した。ガス燃焼・吹込装置ａに対する高炉ガス供給量は１００Ｎｍ^３／ｔとし、これを酸素５．６Ｎｍ^３／ｔで燃焼させ、８００℃の燃焼ガスを生成させ、これを予熱ガスとして炉内に吹き込んだ。ガス燃焼・吹込装置ａでの酸素比は０．３３５である（理論酸素量に対して）。予熱ガスの組成は、ＣＯ：１７．６vol％、ＣＯ_２：３０．３vol％、Ｈ_２：４．６vol％、Ｈ_２Ｏ：２．７vol％、Ｎ_２：４４．８vol％である。このような予熱ガスの吹き込みにより、炉頂ガス温度は１３４℃となり、高炉操業での配管内への水分の凝縮も完全に回避され、安定した操業が可能となった。

［実施例２］
炉内容積５０００ｍ^３の高炉において、図４〜図７に示すようなガス燃焼・吹込装置ａを用い、図１に示すような実施形態で本発明を実施した。炉頂ガス発電装置５の下流側から抜き出した高炉ガスを昇圧機６aで炉内圧より０．２atm高い圧力に昇圧し、ガス吹込部Ａを構成するガス燃焼・吹込装置ａに燃料ガスとして導入した。また、同様に酸素を昇圧機６bで昇圧し、ガス燃焼・吹込装置ａに支燃ガスとして導入した。

ガス燃焼・吹込装置ａでは、高炉ガス３０．３Ｎｍ^３／ｔを空気５．６Ｎｍ^３／ｔ（酸素比１．０）で燃焼させるとともに、燃焼室内に希釈ガス（ＢＦＧ）を６９．７Ｎｍ^３／ｔ供給することで、８００℃の燃焼ガスを生成させ、これを予熱ガスとして炉内に吹き込んだ。予熱ガスの組成は、実施例１と同等である。このような予熱ガスの吹き込みにより、炉頂ガス温度は１４７℃となり、高炉操業での配管内への水分の凝縮も完全に回避され、安定した操業が可能となった。

１ 高炉
２ 羽口
３ ダストキャッチャー
４ ミストセパレータ
５ 炉頂ガス発電装置
６a，６b 昇圧機
７_Ａ，７_Ｂ センサー
８，９ 流路
１０ 燃焼室
１１a，１１b 開口
１２a，１２b ガスノズル
１４ ガスノズル
１５ 開口
１６ ガス吹込口
１７a〜１７d ガス吹込口群
１８ ヘッダー管
１９ 連絡管
１００ 内壁面
１４０ ノズル管
１５０ 開口
１１０a，１１０b 開口
１２０a，１２０b ノズル管
Ａ ガス吹込部
ａ ガス燃焼・吹込装置

Claims (16)

1. 空気または酸素富化空気を羽口送風する高炉操業において、
   予熱ガスをシャフト部に設けられたガス吹込部（Ａ）から高炉内に吹き込むに当たり、ガス吹込部（Ａ）を、先端が開放された管状の燃焼室の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を形成し、前記燃焼室の先端を高炉内部と連通させたガス燃焼・吹込装置（ａ）で構成し、該ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼ガスを予熱ガスとして高炉内に吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。
2. 空気または酸素富化空気を羽口送風する高炉操業において、
   予熱ガスをシャフト部に設けられたガス吹込部（Ａ）から高炉内に吹き込むに当たり、ガス吹込部（Ａ）を、先端が開放された管状の燃焼室の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように該内壁面のほぼ接線方向に燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を形成し、前記燃焼室の先端を高炉内部と連通させたガス燃焼・吹込装置（ａ）で構成し、該ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼ガスを予熱ガスとして高炉内に吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。
3. ガス燃焼・吹込装置（ａ）に供給される燃料ガスが高炉ガスであることを特徴とする請求項１または２に記載の高炉操業方法。
4. 燃焼室の内壁面に形成された開口を通じて燃焼室内に燃料ガスと支燃ガスを各々供給するためのガスノズル若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを供給するためのガスノズルが、装置の軸線方向で並列した複数のノズル管で構成されたガス燃焼・吹込装置（ａ）を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高炉操業方法。
5. ガス燃焼・吹込装置（ａ）において、燃焼室内のガス流のスワール数Ｓwを３〜１０とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高炉操業方法。
6. ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼室内に、燃焼ガスを希釈してガス温度または／およびガス組成を調整する希釈ガスを供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高炉操業方法。
7. ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼室の先端を、ガス導管を介して高炉内部と連通させることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の高炉操業方法。
8. ガス導管がヘッダー管であり、該ヘッダー管には、炉体に形成された複数のガス吹込口が連絡管を介して接続されるとともに、ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼室の先端が接続されることを特徴とする請求項７に記載の高炉操業方法。
9. 空気または酸素富化空気を羽口送風する高炉において、
   ガス吹込部（Ａ）をシャフト部に設け、ガス吹込部（Ａ）を、先端が開放された管状の燃焼室の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を形成し、前記燃焼室の先端を高炉内部と連通させたガス燃焼・吹込装置（ａ）で構成し、該ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼ガスが高炉内に吹き込まれるようにしたことを特徴とする高炉設備。
10. 空気または酸素富化空気を羽口送風する高炉において、
    ガス吹込部（Ａ）をシャフト部に設け、ガス吹込部（Ａ）を、先端が開放された管状の燃焼室の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように該内壁面のほぼ接線方向に燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を形成し、前記燃焼室の先端を高炉内部と連通させたガス燃焼・吹込装置（ａ）で構成し、該ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼ガスが高炉内に吹き込まれるようにしたことを特徴とする高炉設備。
11. 高炉の炉頂部から排出された高炉ガスの流路から高炉ガスの一部を抜き出し、ガス燃焼・吹込装置（ａ）に供給するための流路を備えることを特徴とする請求項９または１０に記載の高炉設備。
12. ガス燃焼・吹込装置（ａ）に供給される燃料ガスと支燃ガスを各々昇圧するための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを昇圧するための昇圧機を備えることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の高炉設備。
13. ガス燃焼・吹込装置（ａ）において、燃焼室の内壁面に形成された開口を通じて燃焼室内に燃料ガスと支燃ガスを各々供給するためのガスノズル若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを供給するためのガスノズルが、装置の軸線方向で並列した複数のノズル管で構成されることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の高炉設備。
14. ガス燃焼・吹込装置（ａ）は、燃焼室内に、燃焼ガスを希釈してガス温度または／およびガス組成を調整する希釈ガスを供給する手段を有することを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の高炉設備。
15. ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼室の先端を、ガス導管を介して高炉内部と連通させることを特徴とする請求項９〜１４のいずれかに記載の高炉設備。
16. ガス導管がヘッダー管であり、該ヘッダー管には、炉体に形成された複数のガス吹込口が連絡管を介して接続されるとともに、ガス燃焼・吹込装置（ａ）の燃焼室の先端が接続されることを特徴とする請求項１５に記載の高炉設備。

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