JP2014224286A - 高炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フェロコークスを高炉原料として使用することにより、高炉発生ガスの発熱量を改善させることのできる、高炉の操業方法を提供する。【解決手段】被還元性指数ＪＩＳ−ＲＩの平均値が５５〜７２％である、鉄鉱石および焼結鉱などの主原料と、コークス、石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を成型して乾留して製造したフェロコークス２５〜１５０ｋｇ／ｔを炉頂から装入し、高炉発生ガスの発熱量を改善することを特徴とする高炉操業方法を用いる。【効果】フェロコークスを高炉の装入原料とした場合、高炉内でのＣＯの発生が増大し、高炉内の熱保存帯温度が低下し、主原料の被還元性が低下し、発生したＣＯが還元に寄与せず、高炉発生ガスとして出て行き、高炉発生ガスの発熱量が上昇する。又、熱保存帯温度が低下するため、炉体放散熱等の熱損失も低下し、エネルギー効率を上昇させる。【選択図】図２

Description

本発明は、フェロコークスを高炉原料として使用することにより、高炉発生ガスの発熱量を改善することができる高炉の操業方法に関する。

従来、高炉の操業において発生ガスを回収する高炉操業が随時行われている。例えば、送風空気の一部を酸素で置換することにより、高炉炉頂から発生するガスの発生量および発熱量を増大させる方法(特許文献１参照)が知られている。しかし、この方法は、余剰な酸素の供給設備を備えていない高炉には適用出来ないという問題がある。

また、高炉に廃棄タイヤを装入し高炉発生ガスの発熱量を調整する方法が提案されている(特許文献２参照)。この方法は、高炉炉内において廃棄タイヤが乾留される過程で多くの揮発分が発生するため、原料中に含まれる揮発分の量に制限がある乾式ダストフィルターを採用している高炉には適用することが困難である。

さらに、装入物分布を調整し炉壁近傍に存在する鉱石の存在率を低下させ、炉壁近傍のガス流れを強化するとともに、鉱石とガスとの接触効率を低下させることにより、高炉発生ガスの発熱量を改善する方法も行われている。しかし、この方法は、大量かつ高温のガスが炉壁近傍を流れ、ステーブ等の冷却装置による抜熱、いわゆるステーブ熱負荷や炉体放散熱に起因する熱損失の増大が問題となるため、エネルギー的には有利な方法とは言えない。

例えば特許文献３には、石炭と鉄鉱石を混合して成型した成型物を乾留して製造されるフェロコークスは、鉄鉱石が一部還元されていると同時に、還元鉄の触媒効果によりコークスの反応性を高めることができ、従来のコークスに比べ、非常に高いガス化反応性を有することが開示されている。

また、特許文献４には、フェロコークスの反応性および強度は、原料中の鉄鉱石の配合割合、すなわち、フェロコークス中の鉄分に大きく依存することが開示されている。

特開昭６１−２４３１０９号公報 特開平１−２６３２０５号公報 特開２０１２−１２６２０号公報 特開２０１１−５８０９１号公報

しかし、特許文献３，４のいずれにも、フェロコークスを高炉原料として使用した場合における高炉発生ガスの発熱量の改善手法は、開示も示唆もされていない。

上記の従来技術の現状を踏まえ、本発明の目的は、フェロコークスを高炉原料として使用することにより、高炉発生ガスの発熱量を改善させることができる、高炉の操業方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明者らがその解決方法について鋭意検討した結果、被還元性の低い鉄鉱石および焼結鉱などの主原料と、フェロコークスを高炉原料として使用することにより、高炉発生ガスの発熱量を改善することができることを見出して、本発明を完成した。

本発明は、被還元性指数ＪＩＳ−ＲＩの平均値が５５〜７２％である、鉄鉱石および焼結鉱などの主原料と、コークス、石炭、および鉄鉱石を主成分とする原料とを成型して乾留して製造したフェロコークス２５〜１５０ｋｇ／ｔを炉頂から装入し、高炉発生ガスの発熱量を改善することを特徴とする高炉の操業方法である。

焼結鉱とコークスとを積層させ、炉内を通過する高温の還元ガスにより焼結鉱を還元し、溶銑とした後に銑鉄を取出す高炉の操業においては、安定操業のために、焼結鉱の還元性（率）を管理することが有効であり、管理指標として、ＪＩＳ−ＲＩ試験（ＪＩＳ Ｍ ８７１３ ２００９「鉄鉱石−被還元性試験方法」、以下年次は略する）が使用される。本発明における「ＪＩＳ−ＲＩ」はこの試験により得られる被還元性指数を意味する。

本発明によれば、高炉原料として被還元性の低い主原料とフェロコークスを同時に使用することにより、設備上の制約やエネルギー効率の問題等を生じることなく、高炉発生ガスの発熱量を改善することができる。

図１は、フェロコークスの使用比率と高炉発生ガスの発熱量との関係を示すグラフである。 図２は、焼結鉱および鉱石などの主原料の被還元性指数ＪＩＳ−ＲＩの平均値と高炉発生ガスの発熱量との関係を示すグラフである。

本発明を説明する。
高炉発生ガスの発熱量を改善する方法として、上述のように、送風空気の一部を酸素で置換する方法、高炉に廃棄タイヤを装入する方法、装入物分布を調整しガス流れを炉壁側に変流させる方法等があるものの、設備上の制約やエネルギー効率の問題といった多くの問題が存在する。

この問題に対処するため、高炉発生ガスの発熱量を改善させることができる高炉の操業方法について種々検討した。その結果、本発明者らは、フェロコークスの高いガス化反応性に着目し、高炉装入原料の一部としてフェロコークスを装入することにより、これを解決するようにしたものである。

石炭と鉄鉱石を混合して成型した成型物を乾留して製造されるフェロコークスは、鉄鉱石が一部還元されていると同時に、還元鉄の触媒効果によりコークスの反応性を高めることができ、従来のコークスに比べ、非常に高いガス化反応性を有している（上述の特許文献３参照）。

コークスとフェロコークスを高炉内に装入すると、反応性の高いフェロコークスが優先的にガス化反応を起こし、コークスのガス化が相対的に減少することにより、コークスの劣化、粉化を抑制してコークス層のコークススリットを健全に維持できる。

フェロコークスの強度が不足する場合には、炉内で受ける機械的な衝撃力等によってフェロコークスが破壊され、粉が発生する。発生した粉は炉内の様々な場所に堆積し、炉況が不安定になることが懸念される。

フェロコークスの反応性および強度は、原料中の鉄鉱石の配合割合、すなわち、フェロコークス中の鉄分に大きく依存することが知られている（例えば上述の特許文献４参照）。

特許文献４によれば、フェロコークス中の鉄分は１０〜４０質量％が望ましいとされている。フェロコークス中の鉄分の増加に伴い、フェロコークスのガス化速度が向上し、出銑量が増加するため、強度に問題がなければフェロコークス中の鉄分は多いほど良い。したがって、フェロコークス中の鉄分は３０〜４０質量％であることが望ましい。

フェロコークスを高炉の装入原料として使用した場合、高炉内において、下記式（１）に示すガス化反応が活発に進行し、多量のＣＯが発生するとともに、高炉の熱保存帯温度が低下する。

Ｃ＋ＣＯ_２＝２ＣＯ ・・・・・・・（１）
熱保存帯温度の低下に伴い主原料の被還元性が低下するため、式（１）により発生したＣＯの一部は、主原料の還元に寄与することなく炉頂から排出され、結果として、還元効率の低下、すなわち高炉発生ガス中のＣＯガス濃度が上昇し、高炉発生ガスの発熱量が改善される。またフェロコークスのガス化に伴い、熱保存帯温度が低下するため、ステーブ熱負荷や炉体放散熱に起因する熱損失を大きく低下させる効果もあるため、エネルギー的にも有効である。

本発明においては、フェロコークスを焼結鉱、塊鉱石、ペレット等から構成される鉄原料（主原料）と混合した層と、通常のコークス層とを交互に装入して操業を行うか、あるいは、焼結鉱、塊鉱石、ペレット等から構成される鉱石層と、フェロコークスをコークスと混合した層を交互に装入して操業を行う。

本発明で用いるフェロコークスは、石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を成型して製造した成型物を加熱して、成型物中の石炭を乾留して製造されたものである。したがって、フェロコークス中の揮発分は少量であるため、乾式ダストフィルターを使用している高炉においても、本発明は適用可能である。

フェロコークスを混合して、高炉発生ガスの発熱量の改善を図る場合、フェロコークス使用量の増加に伴い、次第にコークス使用量が低下し、コークススリットの形成が困難になる。その結果として、高炉の通気性が著しく悪化し、高炉の操業が不安定になることが懸念される。健全なコークススリットを保つためには、コークス使用量を一定量確保する必要があるため、フェロコークス使用量には上限があると考えられる。また、フェロコークス使用量が少量である場合には、フェロコークスの装入による高炉発生ガスの発熱量改善効果が認められない可能性がある。

そこで、内容積が５３００ｍ^３の高炉を想定し、高炉トータルシミュレーターを用いて、装入物中に混合するフェロコークスの量を様々に変更した計算（シミュレーション）を実施し、高炉発生ガスの発熱量改善効果について検討した。

図１に、鉱石層中におけるフェロコークス使用比率と高炉発生ガスの発熱量との関係をグラフで示す。なお、図１のグラフにおける「高炉発生ガスの発熱量」とは、１２６．５３８（ｋＪ／Ｎｍ^３）×ＣＯ（ｖｏｌ％）+１２７．７９５（ｋＪ／Ｎｍ^３）×Ｈ_２（ｖｏｌ％）により求めた値である。後述する図２のグラフにおいても同様である。

図１のグラフから、鉱石層中におけるフェロコークス使用比率の増加に伴い、高炉発生ガスの発熱量が改善されることがわかる。フェロコークス使用比率は、２５ｋｇ／ｔより小さいと、高炉発生ガスの発熱量改善効果が小さいため、２５ｋｇ／ｔ以上とする。これに対して、フェロコークス使用比率が１５０ｋｇ／ｔまで増加すると、高炉発生ガスの発熱量の増加率が小さくなる。以上のことから、フェロコークスの使用比率は、２５ｋｇ／ｔ以上１５０ｋｇ／ｔ以下とする。

前述のように、フェロコークスを高炉の装入原料として使用した場合、多量のＣＯが発生するとともに、高炉の熱保存帯温度が低下する。被還元性の高い被還元性の高い鉄鉱石および焼結鉱などの主原料を使用した場合、式（１）により発生したＣＯの大部分が、主原料の還元に消費されてしまい、高炉発生ガス中のＣＯガス濃度が低下し、高炉発生ガスの発熱量が低下してしまう。したがって、高炉発生ガスの発熱量を改善するには、主原料の被還元性に上限値が存在すると考えられる。

高炉トータルシミュレーターを用いて、主原料の被還元性指数ＪＩＳ−ＲＩの平均値と高炉発生ガスの発熱量の関係を求めた結果を図２にグラフで示す。

図２のグラフから、被還元性指数ＪＩＳ−ＲＩの低下に伴い、高炉発生ガスの発熱量が上昇することがわかる。被還元性指数ＪＩＳ−ＲＩが７２％より小さい場合に高炉発生ガスの発熱量が急激に上昇していることより、主原料の被還元性指数ＪＩＳ−ＲＩの平均値は７２％以下であることが望ましい。

一方、被還元性指数ＪＩＳ−ＲＩが著しく低い鉄原料を使用した場合、炉下部において、未還元鉄原料の直接還元反応量が大幅に増加し、高炉の操業が不安定となるため、主原料の被還元性指数ＪＩＳ−ＲＩの平均値は５５％以上であることが望ましい。

内容積が５３００ｍ^３の高炉を想定し、コークス比３４８ｋｇ／ｔ、微粉炭比１５５ｋｇ／ｔ、還元材比５０３ｋｇ／ｔの操業条件を基準（ベース）として、高炉トータルシミュレーターを用いて、フェロコークスの使用比率を、様々に変更した計算（シミュレーション）を実施し、高炉発生ガスの発熱量改善効果を検討した。

計算前提条件として、主原料の被還元性指数ＪＩＳ−ＲＩの平均値は６４．１％、酸素富化量は２７０Ｎｍ^３／ｍｉｎ、送風温度は１２００℃、送風湿分は１４ｇ／Ｎｍ^３、および微粉炭吹き込み量は６５ｔ／ｈとし、溶銑温度が１５００℃、出銑量が１０，０００ｔ／ｄとなるように、コークス（フェロコークスは含まない）と主原料との質量比を操作して計算した。フェロコークスを使用する操業では、フェロコークスは主原料と混合して使用するものとした。なおフェロコークス中の鉄分は３０質量％として計算した。

計算結果を表１にまとめて示す。表１には、ベース（フェロコークスの使用比率：０ｋｇ／ｔ）とともに、比較例として、主原料の被還元性指数ＪＩＳ−ＲＩの平均値が７２．５％、フェロコークスの使用比率が２０ｋｇ／ｔの結果を、あわせて示す。なお、表１中の単位（ｋｇ／ｔ）は、銑鉄１ｔ当たりの装入量を表し、（Ｎｍ^３／ｔ）は、銑鉄１ｔ当たりのガスの発生量を表し、（ＭＪ／ｔ）は銑鉄１ｔ当たりの熱量を表す。

表１において、比較例、発明例１〜６は、フェロコークス使用比率１５０ｋｇ／ｔ以下の範囲で、フェロコークス使用比率を順次、増加したケースである。

フェロコークス使用比率を２５ｋｇ／ｔとした場合（発明例１）、高炉発生ガスの発熱量は、ベースと比較して７０ＭＪ／ｔ改善され、比較例と比較して４３１ＭＪ／ｔ改善された。

フェロコークス使用比率の増加に伴い、高炉発生ガスの発熱量は増加し(発明例２〜６)、フェロコークス使用比率を１５０ｋｇ／ｔとした場合（発明例６）、高炉発生ガスの発熱量が最も増加し、ベースと比較して１０８６ＭＪ／t改善され、比較例と比較して１４４７ＭＪ／ｔ改善された。

Claims (1)

1. 被還元性指数ＪＩＳ−ＲＩの平均値が５５〜７２％である主原料と、コークス、石炭、および鉄鉱石を主成分とする原料とを成型して乾留して製造したフェロコークス２５〜１５０ｋｇ／ｔを炉頂から装入し、高炉発生ガスの発熱量を改善することを特徴とする高炉の操業方法。

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