JP2013019008A - 高炉操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より一層の燃焼温度の向上及び還元材原単位の低減を可能とする高炉操業方法を提供する。
【解決手段】固体還元材と易燃性還元材とを混合してランス４を構成する同一管から吹込む。例えば、固体還元材と易燃性還元材とを混合し、その混合還元材を単管ランス４から吹込む。また、ランスを二重管ランス４とし、二重管ランス４の内側管から固体還元材と易燃性還元材とを混合した混合還元材を吹込むと共に、二重管ランスの外側管から支燃性ガスを吹込む。また、ランスを二重管ランス４とし、二重管ランス４の内側管から支燃性ガスを吹込むと共に、二重管ランスの外側管から固体還元材と易燃性還元材とを混合した混合還元材を吹込む。固体還元材は主として微粉炭とし、易燃性還元材には都市ガス、転炉ガス、高炉ガス、コークス炉ガス、水素を用いる。支燃性ガスにはＯ_２を用いる。
【選択図】図６

Description

本発明は、高炉羽口から微粉炭などの固体還元材と、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）や都市ガスなどの易燃性還元材とを吹込んで、燃焼温度を上昇させることにより生産性の向上及び還元材原単位の低減を図る高炉の操業方法に関するものである。

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ＣＯ_２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：Reducing Agent Rateの略で、銑鉄１ｔ製造当たりの、羽口からの吹込み還元材と炉頂から装入される固体還元材であるコークスの合計量）操業が強力に推進されている。高炉は、主に炉頂から装入される固体還元材であるコークス及び羽口から吹込む固体還元材である微粉炭を還元材として使用しており、低還元材比、ひいては炭酸ガス排出抑制を達成するためには固体還元材であるコークスや微粉炭などを廃プラ、都市ガス、重油等の水素含有率の高い還元材で置換する方策が有効である。下記特許文献１では、羽口から還元材を吹込むランスを二重管とし、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込み、二重管ランスの外側管から微粉炭を吹込むことが提案されている。また、下記特許文献２では、同じく羽口から還元材を吹込むランスを二重管とし、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、二重管ランスの外側管からＬＮＧを吹込むことが提案されている。

特開第３１７６６８０号公報 特公平１−２９８４７号公報

前記特許文献１に記載される高炉操業方法も、前記特許文献２に記載される高炉操業方法も、従来の微粉炭だけを羽口から吹込む方法に比べれば、燃焼温度の向上や還元材原単位の低減に効果があるものの、更なる改良の余地がある。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、より一層の燃焼温度の向上及び還元材原単位の低減を可能とする高炉操業方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の高炉操業方法は、羽口からランスを介して固体還元材と易燃性還元材とを吹込む高炉操業方法であって、前記固体還元材と易燃性還元材とを混合して混合還元材として吹込むことを特徴とするものである。
また、前記固体還元材と易燃性還元材とを混合して混合還元材として吹込むにあたり、前記固体還元材と易燃性還元材とを、固体還元材／易燃性還元材比が各ｍａｓｓ％で１〜３００の範囲で混合することを特徴とするものである。

また、前記固体還元材と易燃性還元材とを、固体還元材／易燃性還元材比が各ｍａｓｓ％で１〜１８０の範囲で混合することを特徴とするものである。
また、前記固体還元材と易燃性還元材とを混合し、その混合還元材を単管ランスから吹込むことを特徴とするものである。
また、前記ランスを二重管ランスとし、二重管ランスの内側管から固体還元材と易燃性還元材とを混合した混合還元材を吹込むと共に、二重管ランスの外側管から支燃性ガスを吹込むことを特徴とするものである。

また、前記ランスを二重管ランスとし、二重管ランスの内側管から支燃性ガスを吹込むと共に、二重管ランスの外側管から固体還元材と易燃性還元材とを混合した混合還元材を吹込むことを特徴とするものである。
また、前記単管ランスから吹込まれる易燃性還元材と固体還元材の搬送ガスとの合計流量を調整し、当該単管ランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとしたことを特徴とするものである。

また、前記二重管ランスの外側管から吹込まれる支燃性ガス又は固体還元材の搬送ガスと易燃性還元材との流量を調整し、当該外側管の出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとしたことを特徴とするものである。
また、前記二重管ランスから吹込まれる全ガス量に対する易燃性還元材又は易燃性還元材及び支燃性ガスの割合が２５〜９５ｖｏｌ％であることを特徴とするものである。

また、前記二重管ランスの外側管又は内側管から吹込まれる支燃性ガスは酸素又は酸素富化空気であり、送風に富化する酸素の一部を当該二重管ランスの外側管又は内側管から吹込むことを特徴とするものである。
また、前記二重管ランスの外側管又は内側管から吹込まれる支燃性ガスは酸素富化空気であり、送風に富化する酸素の一部を当該二重管ランスの外側管又は内側管から吹込むことを特徴とするものである。

また、前記固体還元材が微粉炭であることを特徴とするものである。
また、前記固体還元材を銑鉄１ｔ当たり５０〜３００ｋｇの範囲で吹込むことを特徴とするものである。
また、前記固体還元材を銑鉄１ｔ当たり６０〜１８０ｋｇの範囲で吹込むことを特徴とするものである。

また、前記固体還元材の微粉炭に、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材を混合することを特徴とするものである。
また、前記固体還元材の微粉炭の割合を８０ｍａｓｓ％以上として、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材を混合使用することを特徴とするものである。
また、前記易燃性還元材が都市ガス、天然ガス、プロパンガス、水素、転炉ガス、高炉ガス、コークス炉ガスであることを特徴とするものである。

また、前記易燃性還元材を銑鉄１ｔ当たり１〜５０ｋｇの範囲で吹込むことを特徴とするものである。
また、前記易燃性還元材を銑鉄１ｔ当たり１０〜３５ｋｇの範囲で吹込むことを特徴とするものである。

而して、本発明の高炉操業方法によれば、固体還元材と易燃性還元材とを混合して混合還元材としてランスから吹込むことにより、易燃性還元材の燃焼熱で固体還元材の温度が大幅に上昇し、これにより固体還元材の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上し、もって還元材原単位を低減することができる。

本発明の高炉操業方法が適用された高炉の一実施形態を示す縦断面図である。 図１のランスから固体還元材として微粉炭だけを吹込んだときの燃焼状態の説明図である。 図２の微粉炭の燃焼メカニズムの説明図である。 微粉炭と易燃生還元材として都市ガスを吹込んだときの燃焼メカニズムの説明図である。 燃焼実験装置の説明図である。 燃焼実験結果の説明図である。 燃焼実験結果の燃焼温度の説明図である。 燃焼実験結果の燃焼温度の説明図である。 単管ランスのウォータージャケットの説明図である。 二重管ランスのウォータージャケットの説明図である。 二重管ランスのウォータージャケットの説明図である。 単管ランスから吹込まれるガスの流量とランス表面温度の関係を示す説明図である。 二重管ランスの外側管から吹込まれるガスの流量とランス表面温度の関係を示す説明図である。

次に、本発明の高炉操業方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の高炉操業方法が適用された高炉の全体図である。図に示すように、高炉１の羽口３には、熱風を送風するための送風管２が接続され、この送風管２を貫通してランス４が設置されている。羽口３の熱風送風方向先方のコークス堆積層には、レースウエイ５と呼ばれる燃焼空間が存在し、主として、この燃焼空間で還元材の燃焼、ガス化が行われる。

図２には、ランス４から固体還元材として微粉炭６だけを吹込んだときの燃焼状態を示す。ランス４から羽口３を通過し、レースウエイ５内に吹込まれた微粉炭６は、コークス７と共に、その揮発分と固定炭素が燃焼し、燃焼しきれずに残った、一般にチャーと呼ばれる炭素と灰分の集合体は、レースウエイから未燃チャー８として排出される。羽口３の熱風送風方向先方における熱風速度は約２００ｍ／ｓｅｃであり、ランス４の先端からレースウエイ５内におけるＯ_２の存在領域は約０．３〜０．５ｍとされているので、実質的に１／１０００秒のレベルで微粉炭粒子の昇温及びＯ_２との接触効率（分散性）の改善が必要となる。なお、高炉内に吹込まれる微粉炭の平均粒径は１０〜１００μｍで使用されている。

図３は、ランス４から送風管２内に微粉炭（図ではＰＣ：Pulverized Coal）６のみを吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。羽口３からレースウエイ５内に吹込まれた微粉炭６は、レースウエイ５内の火炎からの輻射伝熱によって粒子が加熱し、更に輻射伝熱、伝導伝熱によって粒子が急激に温度上昇し、３００℃以上昇温した時点から熱分解が開始し、揮発分に着火して火炎が形成され、燃焼温度は１４００〜１７００℃に達する。揮発分が放出してしまうと、前述したチャー８となる。チャー８は、主に固定炭素であるので、燃焼反応と共に、炭素溶解反応と呼ばれる反応も生じる。

図４は、ランス４から送風管２内に微粉炭（図ではＰＣ）６と共に易燃性還元材として都市ガス９を吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。都市ガス９の主成分はメタンであり、他にエタン、プロパン、ブタンなどを含む。下記表１に都市ガスの組成例を示す。微粉炭６と都市ガス９の吹込み方法は、単純に平行に吹込んだ場合を示している。なお、図中の二点鎖線は、図３に示した微粉炭のみを吹込んだ場合の燃焼温度を参考に示している。このように微粉炭と都市ガスを同時に吹込む場合、気体ガスである都市ガスが優先的に燃焼し、この燃焼熱によって微粉炭が急速に加熱、昇温すると考えられ、これによりランスに近い位置で燃焼温度が更に上昇する。

このような知見に基づき、図５に示す燃焼実験装置を用いて燃焼実験を行った。実験炉１１内には高炉内を模擬するためコークスが充填されており、覗き窓からレースウエイ１５の内部を観察することができる。送風管１２にはランス１４が差し込まれ、燃焼バーナ１３で生じた熱風を実験炉１１内に所定の送風量で送風することができる。また、この送風管１２では、送風の酸素富化量を調整することも可能である。ランス１４は、微粉炭及び都市ガスの何れか一方又は双方を送風管１２内に吹込むことができる。実験炉１１内で生じた排ガスは、サイクロンと呼ばれる分離装置１６で排ガスとダストに分離され、排ガスは助燃炉などの排ガス処理設備に送給され、ダストは捕集箱１７に捕集される。

燃焼実験には、ランス１４に単管ランスと二重管ランスの二種類を用い、単管ランスを用いて微粉炭のみを吹込んだ場合、二重管ランスを用い、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、二重管ランスの外側管から易燃性還元材として都市ガスを吹込んだ場合、二重管ランスの内側管から易燃性還元材として都市ガスを吹込み、二重管ランスの外側管から微粉炭を吹込んだ場合、二重管ランスの内側管から都市ガスと微粉炭の混合還元材を吹込み、外側管から支燃性ガスとして酸素（以下、単にＯ_２という）を吹込んだ場合、二重管ランスの内側管から支燃性ガスとしてＯ_２を吹込み、外側管から都市ガスと微粉炭の混合還元材を吹込んだ場合の夫々について覗き窓から２色温度計による燃焼温度、燃焼位置、未燃チャーの燃焼状況、拡散性を測定した。

２色温度計は、周知のように、熱放射（高温物体から低温物体への電磁波の移動）を利用して温度計測を行う放射温度計であり、温度が高くなると波長分布が短波長側にずれていくことに着目して、波長分布の温度の変化を計測することで温度を求める波長分布形の一つであり、中でも波長分布を捉えるため、２つの波長における放射エネルギーを計測し、比率から温度を測定するものである。未燃チャーの燃焼状況は、実験炉１１の送風管１２内のランス１４先から１５０ｍｍ、３００ｍｍの位置にてプローブで未燃チャーを回収して、樹脂埋め、研磨後、画像解析によってチャー内空隙率を測定し、判定した。

微粉炭の諸元は、固定炭素（ＦＣ：Fixed Carbon）７７．８％、揮発分（ＶＭ：Volatile Matter）１３．６％、灰分（Ａｓｈ）８．６％で、吹込み条件は２９．８ｋｇ／ｈ（溶銑１ｔ当たり１００ｋｇに相当）とした。また、都市ガスの吹込み条件は、３．６ｋｇ／ｈ（５Ｎｍ^３／ｈ、溶銑１ｔ当たり１０ｋｇに相当）とした。送風条件は、送風温度１２００℃、流量３００Ｎｍ^３／ｈ、流速７０ｍ／ｓ、Ｏ_２富化＋５．５（酸素濃度２６．５％、空気中酸素濃度２１％に対し、５．５％の富化）とした。

実験結果の評価は、単管ランスから微粉炭のみ（媒体としてＮ_２を使用）を吹込んだ場合の燃焼温度、燃焼位置、未燃チャーの燃焼状況、拡散性（主として微粉炭）を基準とし、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管から都市ガスを吹込んだ場合、二重管ランスの内側管から都市ガスを吹込み、外側管から微粉炭を吹込んだ場合、単管ランスから都市ガスと微粉炭の混合還元材を吹込んだ場合、二重管ランスの内側管から都市ガスと微粉炭の混合還元材を吹込み、外側管から支燃性ガス、この場合はＯ_２を吹込んだ場合、二重管ランスの内側管からＯ_２を吹込み、外側管から都市ガスと微粉炭の混合還元材を吹込んだ場合の夫々を評価した。評価は、微粉炭のみの場合と同程度の場合を△、少し改善された場合を○、大幅に改善された場合を◎で表した。なお、支燃性ガスとしてＯ_２を吹込む場合には、送風に富化する酸素の一部を用い、炉内に吹き込まれるＯ_２の総量が変化しないようにした。また、支燃性ガスとしては、大気を用いることもできる。

図６には、前述した燃焼実験の結果を示す。微粉炭（図ではＰＣ）は搬送ガス（窒素ガスＮ_２を使用）で吹込む。同図から明らかなように、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管から都市ガスを吹込む場合には、燃焼位置については改善が見られたが、その他の項目については変化が見られない。これは、微粉炭の外側の都市ガスが先にＯ_２と接触して速やかに燃焼し、その燃焼熱で微粉炭の加熱速度が上昇したものの、都市ガスの燃焼にＯ_２が消費されてしまい、微粉炭の燃焼に必要なＯ_２が減少して、十分な燃焼温度上昇に至らず、未燃チャーの燃焼状況も改善されなかったと考えられる。一方、二重管ランスの内側管から都市ガスを吹込み、外側管から微粉炭を吹込む場合には、燃焼温度、未燃チャーの燃焼状況について改善が見られ、拡散性については大幅な改善が見られたものの、燃焼位置については変化が見られない。これは、外側の微粉炭領域を通じた内側の都市ガスまでのＯ_２の拡散に時間を要したものの、内側の易燃性の都市ガスが燃焼すれば、爆発的な拡散が生じ、都市ガスの燃焼熱で微粉炭が加熱されて燃焼温度も上昇し、未燃チャーの燃焼状況も改善されたものと考えられる。

本願発明者は、この実験結果を踏まえて、ランスに単管ランスを用い、都市ガスと微粉炭を予め混合し、この混合還元材を単管ランスから吹込むことに着目した。即ち、都市ガス及び微粉炭が、互いにまとまって存在していることが未改善の原因ではないか、都市ガスが分散していれば広い範囲で都市ガスが先に燃焼し、それに伴って微粉炭が広範囲に拡散すると共に都市ガスの燃焼熱で加熱され、燃焼位置がランスに近づくと共に、燃焼温度が上昇し、未燃チャーの燃焼状況も改善されるのではないか、という推察である。

そこで、都市ガス及び微粉炭を予め混合し、その混合還元材を単管ランスから吹込んで実験を行った結果、燃焼温度、燃焼位置、未燃チャーの燃焼状況の３つの点で大幅な改善が見られた。また、都市ガスの燃焼に伴う爆発的な拡散効果を促進するため、二重管ランスの内側管からＯ_２を吹込み、外側管から都市ガスと微粉炭の混合還元材を吹込むこと、または二重管ランスの内側管から都市ガスと微粉炭の混合還元材を吹込み、外側管からＯ_２を吹込むことにより、拡散性が大幅に改善され、燃焼温度、燃焼位置、未燃チャーの燃焼状況についても大幅な改善が維持された。

全ての実験の燃焼位置と燃焼温度の関係を図７に示す。同図及び図６より明らかなように、単管ランスから微粉炭のみを吹込む方法に対し、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管から都市ガスを吹込む方法、二重管ランスの内側管から都市ガスを吹込み、外側管から微粉炭を吹込む方法、単管ランスから都市ガスと微粉炭の混合還元材を吹込む方法、二重管ランスの内側管から都市ガスと微粉炭の混合還元材を吹込み、外側管からＯ_２を吹込む方法、または二重管ランスの内側管からＯ_２を吹込み、外側管から都市ガスと微粉炭の混合還元材を吹込む方法の順に燃焼温度が高くなり、特に燃焼位置については、単管ランスから都市ガスと微粉炭の混合還元材を吹込む方法で大幅な改善が見られる。また、拡散性については、二重管ランスの内側管から都市ガスを吹込み、外側管から微粉炭を吹込む方法が遙かに改善されたため、単管ランスから混合還元材を吹込む方法は少し改善されたという評価にとどまったが、単管ランスから混合還元材を吹込む方法も実質的には十分な拡散効果が見られ、総合評価も大幅に改善された。更に、二重管ランスの内側管から都市ガスと微粉炭の混合還元材を吹込み、外側管からＯ_２を吹込む方法や、二重管ランスの内側管からＯ_２を吹込み、外側管から都市ガスと微粉炭の混合還元材を吹込む方法では著しい改善が見られる。燃焼温度の向上は燃焼量増加の証左であり、吹込み固体還元材の燃焼量増加により羽口先における堆積微粉量（炉内投入微粉量）が減少し、炉内の通気が改善される。熱バランスが適正であれば、改善された通気余力分、装入コークス（コークス比）を低減することが可能となるので、結果として還元材原単位の低減となる。

次いで、本発明者等は、易燃性還元材である都市ガス又は都市ガス及び支燃性ガスであるＯ_２の二重管ランス４から吹込む全ガス量に対する割合を種々に変更して燃焼温度の違いを測定した。これは、例えば、前述のように、都市ガスがＯ_２と共に先に燃焼し、その燃焼熱で微粉炭の温度が急速に上昇する効果を確認するためである。そこで、下記表２に示すように、ＣＡＳＥ１〜５まで、微粉炭の搬送ガスであるＮ_２の流量を１５Ｎｍ^３／ｈ一定とし、都市ガス又は都市ガス及びＯ_２の流量を種々に変更して、二重管ランスの先端から距離１６５ｍｍの燃焼温度及び距離３１５ｍｍの燃焼温度を測定した。なお、微粉炭と、微粉炭を搬送する搬送ガスの固気比は、少ないガス量で粉体、つまり微粉炭を輸送する方式（高濃度搬送）では固気比１０〜２５ｋｇ／Ｎｍ^３、多量のガスで輸送する方式（低濃度輸送）では固気比５〜１０ｋｇ／Ｎｍ^３である。搬送ガスにはＮ_２の他、空気を用いることもできる。

表中には都市ガス又は都市ガス及びＯ_２の流量（Ｏ_２＋都市ガス）及び都市ガスに対するＯ_２の比率（Ｏ_２／都市ガス）を示す。即ち、ＣＡＳＥ１はＯ_２も都市ガスも吹込まない。ＣＡＳＥ２は都市ガスのみ５Ｎｍ^３／ｈ吹込む。ＣＡＳＥ３は都市ガスを５Ｎｍ^３／ｈ、Ｏ_２を１０Ｎｍ^３／ｈ吹込む。ＣＡＳＥ４は都市ガスを５Ｎｍ^３／ｈ、Ｏ_２を２０Ｎｍ^３／ｈ吹込む。ＣＡＳＥ５は都市ガスを１０Ｎｍ^３／ｈ、Ｏ_２を２０Ｎｍ^３／ｈ吹込む。また、二重管ランスから吹込まれる全ガス量に対する都市ガス又は都市ガス及びＯ_２の割合は、ＣＡＳＥ１が０ｖｏｌ％、ＣＡＳＥ２が２５ｖｏｌ％、ＣＡＳＥ３が５０ｖｏｌ％、ＣＡＳＥ４が６２．５ｖｏｌ％、ＣＡＳＥ５が６６．７ｖｏｌ％である。

微粉炭の諸元は、固定炭素ＦＣ：７７．２％、揮発分ＶＭ：１２．２％、灰分Ａｓｈ：１０．６％で、吹込み条件は５０ｋｇ／ｈ（溶銑１ｔ当たり１４２ｋｇに相当）とした（吹込媒体として窒素を使用）。送風条件は、送風温度１２００℃、流量３５０Ｎｍ^３／ｈ、Ｏ_２富化＋３．５（酸素濃度２４．５％）とした。なお、支燃性ガスとしてＯ_２を吹込む場合には、送風に富化する酸素の一部を用い、炉内に吹き込まれるＯ_２の総量が変化しないようにした。また、支燃性ガスとしては、Ｏ_２の他、大気を用いることもできる。大気を用いる場合、支燃効果を向上させるため、２％以上、好ましくは１０％以上酸素を富化した酸素富化空気を用いる。また、微粉炭、都市ガス、Ｏ_２の吹込み方は、二重管ランスの内側管からＯ_２を吹込み、外側管から都市ガスと微粉炭の混合還元材を吹込む。測定結果を図８に示す。

同図から明らかなように、二重管ランスから吹込まれる全ガス量に対する都市ガス又は都市ガス及びＯ_２の割合が２５ｖｏｌ％未満の領域では、全ガス量に対する都市ガス又は都市ガス及びＯ_２の割合が増加するのに伴って燃焼温度が大きく増加していることから、この領域では高い燃焼温度を確保することが困難である。一方、二重管ランスから吹込まれる全ガス量に対する都市ガス又は都市ガス及びＯ_２の割合が２５ｖｏｌ％以上の領域では、全ガス量に対する都市ガス又は都市ガス及びＯ_２の割合が増加しても燃焼温度が飽和する傾向にあることから、この領域では高い燃焼温度を確保することができる。従って、本実施形態の高炉操業方法では、二重管ランスから吹込まれる全ガス量に対する易燃性還元材又は易燃性還元材及び支燃性ガスの割合、即ち都市ガス又は都市ガス及びＯ_２の割合を２５ｖｏｌ％以上、好ましくは５０ｖｏｌ％以上とした。また、二重管ランスから吹込まれる全ガス量に対する都市ガス又は都市ガス及びＯ_２の割合が９５ｖｏｌ％を超えると燃焼温度が飽和する傾向が見られたので、上限を９５ｖｏｌ％以下とした。また、都市ガスを易燃性還元材例としているが、下記表３に示すように、天然ガス（ＬＮＧ）も主成分はメタンで都市ガスと同等であり、使用できる。

ところで、前述のような燃焼温度の上昇に伴って、単管ランスや二重管ランスの外側管は高温に晒され易くなる。単管ランスや二重管ランスは、例えばステンレス鋼鋼管で構成される。勿論、単管ランスや二重管ランスの外側管には所謂ウォータージャケットと呼ばれる水冷が施されているが、ランス先端までは覆うことができない。図９には、微粉炭及び都市ガスの混合還元材を吹込む単管ランスのウォータージャケット（図の水冷部）の状態を示す。単管ランスからは、固体還元材及び固体還元材の搬送に要する搬送ガスと易燃性還元材である都市ガスの混合還元材が吹込まれる。図１０には、内側管から微粉炭と搬送ガス及び都市ガスを吹込み、外側管からＯ_２を吹込む二重管ランスのウォータージャケットの状態を示す。図１１には、内側管からＯ_２を吹込み、外側管から微粉炭と搬送ガス及び都市ガスを吹込む二重管ランスのウォータージャケットの状態を示す。

図９、図１０、図１１において、特に、この水冷の及ばない単管ランスや二重管ランスの外側管の先端部が熱で変形することが分かった。単管ランスや二重管ランスの外側管が変形する、つまり曲がると所望部位に微粉炭や都市ガス又はO_２を吹込むことができないし、消耗品であるランスの交換作業に支障がある。また、曲がりにより微粉炭の流れが変化して羽口に当たることも考えられ、そのような場合には羽口が損傷する恐れがある。二重管ランスの外側管が曲がると、内側管との隙間が閉塞され、外側管からガスが流れなくなると、二重管ランスの外側管が溶損し、場合によっては送風管が破損する可能性もある。ランスが変形したり損耗したりすると、前述のような燃焼温度を確保することができなくなり、ひいては還元材原単位を低減することもできない。

水冷できない単管ランスや二重管ランスの外側管を冷却するためには、内部に送給されるガスで放熱するしかない。内部に流れるガスに放熱して単管ランスや二重管ランスの外側管自体を冷却する場合、ガスの流量がランス温度に影響を与えると考えられる。そこで、本発明者等は、単管ランスや二重管ランスの外側管から吹込まれるガスの流量を種々に変更してランス表面の温度を測定した。ガスの流量調整は、本来、本実施形態で単管ランスや二重管ランスの外側管から吹込まれる都市ガスに不活性ガスとしてＮ_２を加減した。なお、Ｎ_２は、微粉炭を搬送するための搬送ガスの一部を流用するようにしてもよい。単管ランスの測定結果を図１２に、二重管ランスの測定結果を図１３に示す。

単管ランスには、１５Ａスケジュール９０と呼ばれる鋼管、及び２０Ａスケジュール９０と呼ばれる鋼管の２種類を用い、微粉炭を搬送するための搬送ガス（Ｎ_２）と都市ガスの合計流量を種々に変更してランス表面の温度を測定した。また、二重管ランスの外側管には、２０Ａスケジュール５Ｓと呼ばれる鋼管、及び２５Ａスケジュール５Ｓと呼ばれる鋼管の２種類を用いた。また、二重管ランスの内側管には、１５Ａスケジュール９０と呼ばれる鋼管、１種類を用い、Ｎ_２と都市ガスの合計流量を種々に変更してランス表面の温度を測定した。ちなみに、「１５Ａ」、「２０Ａ」、「２５Ａ」はＪＩＳ Ｇ ３４５９に規定する鋼管外径の称呼寸法であり、１５Ａは外径２１．７ｍｍ、２０Ａは外径２７．２ｍｍ、２５Ａは外径３４．０ｍｍである。また、「スケジュール」はＪＩＳ Ｇ ３４５９に規定する鋼管の肉厚の称呼寸法であり、スケジュール５Ｓは１．６５ｍｍ、１５Ａスケジュール９０は３．７０ｍｍ、２０Ａスケジュール９０は３．９０ｍｍである。単管ランスに鋼管を用いる場合、上記の２種類程度の外径を有する鋼管とすることが現実的である。また、２５Ａスケジュール９０（外径：３４ｍｍ、肉厚：４．５０ｍｍ）を用いることも可能である。また、二重管ランスの外側管に鋼管を用いる場合、上記の２種類程度の外径を有する鋼管とすることが現実的である。また、２０Ａスケジュール９０（肉厚：３．９ｍｍ）、２５Ａスケジュール９０（肉厚：４．５ｍｍ）を用いることも可能である。なお、ステンレス鋼鋼管の他、普通鋼も利用できる。その場合の鋼管の外径はＪＩＳ Ｇ ３４５２に規定され、肉厚はＪＩＳ Ｇ ３４５４に規定される。

同図に二点鎖線で示すように、サイズの異なる鋼管毎に、単管ランスや二重管ランスの外側管から吹込まれるガスの合計流量の増加に伴ってランス表面の温度が反比例的に低下している。これは、鋼管のサイズが違うと、同じガス合計流量でもガスの流速が異なるためである。鋼管を単管ランスや二重管ランスに使用する場合、単管ランスや二重管ランスの表面温度が８８０℃を上回るとクリープ変形が起こり、単管ランスや二重管ランスが曲がってしまう。

従って、単管ランスに１５Ａスケジュール９０、或いは２０Ａスケジュール９０の鋼管を用い、単管ランスの表面温度が８８０℃以下である場合の吹込みガスの合計流量は１３５Ｎｍ^３／ｈ以上であり、それらの鋼管を用いた場合の単管ランスの出口流速は２０ｍ／ｓｅｃ以上となる。そして、単管ランスの吹込みガスの合計流量を１３５Ｎｍ^３／ｈ以上とし、単管ランスの出口流速が２０ｍ／ｓｅｃ以上である場合には単管ランスの表面温度は８８０℃となり、単管ランスに変形や曲がりは生じない。一方、単管ランスの吹込みガスの合計流量が８００Ｎｍ^３／ｈを超えたり、出口流速が１２０ｍ／ｓｅｃを超えたりすると、設備の運用コストの点で実用的でないので、単管ランスの吹込みガスの合計流量の上限を８００Ｎｍ^３／ｈ、出口流速の上限を１２０ｍ／ｓｅｃとした。即ち、水冷できない単管ランスを冷却するためには、単管ランスの吹込みガスの合計流量を調整し、単管ランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとするのである。

また、二重管ランスの外側管に２０Ａスケジュール５Ｓ、或いは２５Ａスケジュール５Ｓの鋼管を用い、二重管ランスの表面温度が８８０℃以下である場合の外側管からの吹込みガスの合計流量は８５Ｎｍ^３／ｈ以上であり、それらの鋼管を用いた場合の二重管ランスの外側管の出口流速は２０ｍ／ｓｅｃ以上となる。そして、二重管ランスの外側管の吹込みガスの合計流量を８５Ｎｍ^３／ｈ以上とし、二重管ランスの外側管の出口流速が２０ｍ／ｓｅｃ以上である場合には二重管ランスの外側管の表面温度は８８０℃以下となり、二重管ランスに変形や曲がりは生じない。一方、二重管ランスの外側管の吹込みガスの合計流量が８００Ｎｍ^３／ｈを超えたり、出口流速が１２０ｍ／ｓｅｃを超えたりすると、設備の運用コストの点で実用的でないので、二重管ランスの外側管の吹込みガスの合計流量の上限を８００Ｎｍ^３／ｈ、出口流速の上限を１２０ｍ／ｓｅｃとした。即ち、水冷できない二重管ランスの外側管を冷却するためには、二重管ランスの外側管の吹込みガスの合計流量を調整し、二重管ランスの外側管の出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとするのである。

単管ランスでは、単管ランスから吹込まれる易燃性還元材と固体還元材の搬送ガスとの合計流量を調整し、単管ランスの出口流速を２０ｍ／ｓｅｃ以上、二重管ランスでは、二重管ランスの外側管から吹込まれる支燃性ガス又は固体還元材の搬送ガスと易燃性還元材との流量を調整し、二重管ランスの外側管の出口流速を２０ｍ／ｓｅｃ以上として、単管ランス又は二重管ランスの変形（曲がり）を防止し、それに応じて、銑鉄１ｔ当たり、単管ランス又は二重管ランスから吹込む微粉炭などの固体還元材を５０〜３００ｋｇとする。即ち、ランスには設備制約上の吹込み下限があるため、吹込み還元材比が低下すると、吹込み羽口を間引いて吹込むなどの対応が必要となり、結果として還元材を吹込む羽口と吹込まない羽口が混在し、円周方向に偏差が生じることとなり、高炉の安定操業上好ましくない。従って、固体還元材は銑鉄１ｔ当たり５０ｋｇ以上とする。また、固体還元材の吹込み還元材比が低下すると、ガスと装入物の熱交換において、熱を供給される側である装入物の比率が増加し、炉頂ガス温度が低下する。この炉頂ガス温度が露点以下となるのを防止する点でも、固体還元材は銑鉄１ｔ当たり５０ｋｇ以上、好ましくは６０ｋｇ以上とする。

更に、低還元材比操業を志向する上では、通気の制約から、吹込み還元材比には上限があり、吹込み固体還元材比の増加に伴い、炉頂から装入される固体還元材（コークス）比が減少するため、通気が困難になっていくが、許容できる全圧損（送風圧−炉頂圧）を超えると、吹込み還元材を増加しても還元材（コークス）比を低減することができなくなり、安定操業を妨げるほか、操業不可能に至る恐れもある。また、炉頂設備保護のためにも固体還元材は銑鉄１ｔ当たり３００ｋｇ以下とする。好ましくは銑鉄１ｔ当たり１８０ｋｇ以下とする。

また、都市ガス、天然ガス（ＬＮＧ）などの易燃性還元材は、高い燃焼温度を確保する点から銑鉄１ｔ当たり１ｋｇ以上必要であり、上限は羽口及び炉頂機器の保護のため銑鉄１ｔ当たり５０ｋｇ以下とする。好ましくは銑鉄１ｔ当たり１０〜３５ｋｇである。
以上の点から、固体還元材／易燃性還元材（各ｍａｓｓ％）は、逆算すると、１〜３００、好ましくは１〜１８０となる。

更に、単管ランスを使用する際の固体還元材、易燃性還元材の燃焼製確保のため、送風中酸素富化率は２〜１０％とし、好ましくは２．５〜８％である。
更に、二重管ランスで使用する支燃性ガスは、固体還元材、易燃性還元材の燃焼性を確保する点から、酸素又は酸素富化空気を用い、少なくとも銑鉄１ｔ当たり１Ｎｍ^３以上必要である。上限は製造コストで定まり、銑鉄１ｔ当たり８０Ｎｍ^３以下とする。なお、酸素富化空気は、酸素富化率は２％以上、好ましくは１０％以上とする。

また、微粉炭の平均粒子径は１０〜１００μｍで使用されるが、本発明では燃焼性を確保し、ランスからの送給並びにランスまでの供給性を考慮したとき、好ましくは２０〜５０μｍとするとよい。微粉炭の平均粒子径が２０μｍ未満では、燃焼性は優れるが、微粉炭輸送時（気体輸送）にランスが詰まり易く、５０μｍを超えると微粉炭燃焼性が悪化する恐れがある。

また、吹込む固体還元材には、微粉炭を主として、その中に廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材を混合使用してもよい。混合使用の際は、微粉炭の全固体還元材に対する比は８０ｍａｓｓ％以上とするのが好ましい。即ち、微粉炭と、廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材などでは反応による熱量が異なるため、互いの使用比率が近くなると燃焼に偏りが生じ易くなり、操業の不安定となり易い。また、微粉炭と比して、廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材等は燃焼反応による発熱量が低位であるため、多量に吹込むと炉頂より装入される固体還元材に対する代替効率が低下するため、微粉炭の割合を８０ｍａｓｓ％以上とするのが好ましいのである。

なお、廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材は、６ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以下の細粒として微粉炭と混合使用できる。微粉炭との割合は、搬送ガスにより気送される微粉炭と合流させることで混合可能である。予め微粉炭と混合して使用しても構わない。
更に、易燃性還元材には、都市ガス、天然ガス以外に、プロパンガス、水素の他、製鉄所で発生する転炉ガス、高炉ガス、コークス炉ガスを用いることもできる。

１は高炉、２は送風管、３は羽口、４はランス、５はレースウエイ、６は微粉炭（固体還元材）、７はコークス、８はチャー、９は都市ガス（易燃性還元材）

Claims (19)

1. 羽口からランスを介して固体還元材と易燃性還元材とを吹込む高炉操業方法であって、前記固体還元材と易燃性還元材とを混合して混合還元材として吹込むことを特徴とする高炉操業方法。
2. 前記固体還元材と易燃性還元材とを混合して混合還元材として吹込むにあたり、前記固体還元材と易燃性還元材とを、固体還元材／易燃性還元材比が各ｍａｓｓ％で１〜３００の範囲で混合することを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
3. 前記固体還元材と易燃性還元材とを、固体還元材／易燃性還元材比が各ｍａｓｓ％で１〜１８０の範囲で混合することを特徴とする請求項２に記載の高炉操業方法。
4. 前記固体還元材と易燃性還元材とを混合し、その混合還元材を単管ランスから吹込むことを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
5. 前記ランスを二重管ランスとし、二重管ランスの内側管から固体還元材と易燃性還元材とを混合した混合還元材を吹込むと共に、二重管ランスの外側管から支燃性ガスを吹込むことを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
6. 前記ランスを二重管ランスとし、二重管ランスの内側管から支燃性ガスを吹込むと共に、二重管ランスの外側管から固体還元材と易燃性還元材とを混合した混合還元材を吹込むことを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
7. 前記単管ランスから吹込まれる易燃性還元材と固体還元材の搬送ガスとの合計流量を調整し、当該単管ランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとしたことを特徴とする請求項４に記載の高炉操業方法。
8. 前記二重管ランスの外側管から吹込まれる支燃性ガス又は固体還元材の搬送ガスと易燃性還元材との流量を調整し、当該外側管の出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとしたことを特徴とする請求項５又は６に記載の高炉操業方法。
9. 前記二重管ランスから吹込まれる全ガス量に対する易燃性還元材又は易燃性還元材及び支燃性ガスの割合が２５〜９５ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項５又は６に記載の高炉操業方法。
10. 前記二重管ランスの外側管又は内側管から吹込まれる支燃性ガスは酸素又は酸素富化空気であり、送風に富化する酸素の一部を当該二重管ランスの外側管又は内側管から吹込むことを特徴とする請求項５又は６に記載の高炉操業方法。
11. 前記二重管ランスの外側管又は内側管から吹込まれる支燃性ガスは酸素富化空気であり、送風に富化する酸素の一部を当該二重管ランスの外側管又は内側管から吹込むことを特徴とする請求項１０に記載の高炉操業方法。
12. 前記固体還元材が微粉炭であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の高炉操業方法。
13. 前記固体還元材を銑鉄１ｔ当たり５０〜３００ｋｇの範囲で吹込むことを特徴とする請求項１２に記載の高炉操業方法。
14. 前記固体還元材を銑鉄１ｔ当たり６０〜１８０ｋｇの範囲で吹込むことを特徴とする請求項１３に記載の高炉操業方法。
15. 前記固体還元材の微粉炭に、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材を混合することを特徴とする請求項１２乃至１４の何れか一項に記載の高炉操業方法。
16. 前記固体還元材の微粉炭の割合を８０ｍａｓｓ％以上として、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材を混合使用することを特徴とする請求項１５に記載の高炉操業方法。
17. 前記易燃性還元材が都市ガス、天然ガス、プロパンガス、水素、転炉ガス、高炉ガス、コークス炉ガスであることを特徴とする請求項１乃至１６の何れか一項に記載の高炉操業方法。
18. 前記易燃性還元材を銑鉄１ｔ当たり１〜５０ｋｇの範囲で吹込むことを特徴とする請求項１７に記載の高炉操業方法。
19. 前記易燃性還元材を銑鉄１ｔ当たり１０〜３５ｋｇの範囲で吹込むことを特徴とする請求項１８に記載の高炉操業方法。