JP2017179586A - 高炉の羽口吹き込みランスにおけるランス保護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高炉の羽口において微粉炭などの羽口吹き込み材の吹き込みを停止させる操業変更を行う際に、窒素ガスや空気などのパージガスを用いずに、微粉炭や熱風などが羽口吹き込みランス内に逆流することを防止することのできるランス保護方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係る高炉の羽口吹き込みランスにおけるランス保護方法は、羽口吹き込みランスを具備する高炉において、羽口吹き込みランスの少なくとも１つの吹き込み部位から、各羽口あたり１０Ｎｍ^３／ｈ以下の易燃性還元材を吹き込む。
【選択図】 なし

Description

本発明は、高炉の羽口に接続するブローパイプに設置された、高炉羽口から微粉炭などの還元材を炉内に吹き込むための羽口吹き込みランスにおけるランス保護方法に関し、詳しくは、高炉羽口への還元材などの吹き込みを停止する際に、微粉炭や熱風などが羽口吹き込みランス内に逆流して羽口吹き込みランスを損傷させることを防止するためのランス保護方法に関する。

近年、高炉におけるコークスの消費量を抑えるために、微粉炭や易燃性還元材（天然ガス、コークス炉ガスなど）などの還元材を羽口から吹き込む高炉の操業方法が実用化されている。微粉炭や易燃性還元材を用いた高炉の操業方法では、熱風を高炉内に供給するブローパイプを通して、微粉炭や易燃性還元材が、熱風とともに高炉内へ供給される。このブローパイプには、ブローパイプ内に微粉炭や易燃性還元材を吹き込むための羽口吹き込みランスが設けられ、微粉炭や易燃性還元材がブローパイプ内を流れる熱風によって吹き込まれる構成となっている。羽口吹き込みランスから吹き込まれた微粉炭や易燃性還元材は、ブローパイプ内及び高炉内部のレースウェイと呼ばれる燃焼空間内で燃焼することにより、コークスの代替として機能する。

微粉炭と易燃性還元材とを羽口から吹き込む高炉の操業方法の例としては、たとえば、特許文献１には、同一の羽口から高炉炉内に微粉炭と気体燃料とを吹き込む高炉操業において、気体燃料の原単位を、微粉炭の原単位、微粉炭中の固定炭素の質量比率、微粉炭中の揮発分の質量比率から定められる値以下に制御し、未燃チャーの発生による炉況の悪化を抑制する高炉操業方法が提案されている。

高炉の操業において、羽口からの還元材吹き込み量は必ずしも一定ではなく、状況に応じて変化しうる。たとえば、高炉操業において炉内圧力損失の上昇が起こった際、操業安定化のためにコークス比を上げ、同時に、微粉炭や易燃性還元材の吹き込みを停止することがある。その際、高炉は高圧設備であるために、羽口吹き込みランスを取り替えたり、取り外したりすることは容易ではない。そこで、使用されない羽口吹き込みランスにおいては、逆流を防止するために窒素ガスや空気がパージガスとして使用されている。

たとえば、特許文献２には、微粉炭の燃焼不良やレースウェイへの装入物降下が起こった際に、吹き込んだ微粉炭が逆流して送風支管の耐火物を破損するという問題を回避するために、送風支管の風量値が規定値以下となったときは微粉炭の吹き込みを停止し、代わりにパージガスとして窒素ガスを吹き込む方法が提案されている。

また、特許文献３には、酸素高炉において微粉炭の吹き込み量が規定値以下となったときに、コークス炉ガスなどの燃料を吹き込んで操業を持続する方法が提案されている。

特開２００７−１００１６０号公報 特開平３−２４３７０４号公報 特開昭６３−１７１８１１号公報

特許文献２に示されるように、パージガスは設備保全上不可避なものであるが、高炉操業の観点から見ると、パージガスは、微粉炭の燃焼性を阻害したり、炉内の還元性ガスの濃度を下げて還元速度を低下させたり、また、低温ガスの流入による炉下部の熱量低下を引き起こしたりすることから、高炉にとって好ましくないものである。

特に、羽口吹き込みランスから微粉炭と易燃性還元材や支燃性ガスとを同時に吹き込む複合吹き込み型の羽口吹き込みランスにおいては、易燃性還元材や支燃性ガスの供給を停止して窒素ガスや空気でパージすると、低温のパージ用窒素ガスやパージ用空気が同じ羽口吹き込みランスから吹き込まれている微粉炭と熱風との接触を阻害してしまうために、微粉炭の燃焼性を悪化させてしまうという問題が起こる。したがって、パージガスは可能な限り使用しないことが好ましい。

高炉の操業変化などにより易燃性還元材や支燃性ガスを停止する場合は、特許文献２と同様に、羽口吹き込みランスを窒素ガスや空気でパージすることが一般的である。つまり、従来技術ではパージガスによる操業悪化を避けることができない。

なお、特許文献１のように、羽口吹き込みランスから気体燃料のような燃焼性ガスを吹き込む方法は多数提案されているが、これらは、いずれも安定した操業時に、高炉への還元材の供給や微粉炭の燃焼促進の目的で行っているものであり、高炉の操業変化まで想定した時の易燃性還元材の活用方法については、述べていない。

また、特許文献３においては、微粉炭吹き込みランスとは別個の燃料吹き込み系を併設しておき、微粉炭吹き込み量が規定値以下となった時に、もう一方の吹き込み系からコークス炉ガスなどの燃料を羽口へ吹き込むことで、羽口先の火炎温度の変動を抑制し、操業を安定化させている。しかし、この方法では、吹き込みを止めた微粉炭吹き込み系とは別の場所に別途もう１箇所の吹き込み系を予め用意しておき、その場所から燃料ガスを吹き込む方法であるため、代替として吹き込んだ燃料ガスは元の微粉炭吹き込み系の設備保護には寄与せず、したがって停止した微粉炭などの吹き込みランスにおいては設備保護のための窒素パージが別途必要となり、特許文献２と同様にパージガスによる操業悪化が避けられない。

また、特許文献３においては、吹き込み停止させた微粉炭と同程度の質量の燃料ガスを吹き込むことになるので、結果として羽口からの還元材吹き込み量は微粉炭停止前と変わらず、たとえば高炉の圧力損失が増加した際に、還元材比一定でコークス比を上げて羽口吹き込み還元材比を下げることで通気を改善させるような操業変更には適用できないという問題もある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高炉羽口への還元材などの吹き込みを停止する操業変更の際に、窒素ガスや空気などのパージガスを用いずに、微量の易燃性還元材を活用することで、微粉炭や熱風などが羽口吹き込みランス内に逆流して設備を損傷することを防止することのできるランス保護方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］羽口吹き込みランスを具備する高炉において、羽口吹き込みランスの少なくとも１つの吹き込み部位から、各羽口あたり１０Ｎｍ^３／ｈ以下の易燃性還元材を吹き込むことを特徴とする、高炉の羽口吹き込みランスにおけるランス保護方法。
［２］通常操業では羽口吹き込みランスから、還元材及び／または支燃性ガスを吹き込む高炉において、前記還元材及び／または支燃性ガスの吹き込みを停止する際に、前記還元材及び／または支燃性ガスを停止した羽口に対し、前記還元材及び／または支燃性ガスの代わりに１０Ｎｍ^３／ｈ以下の易燃性還元材を吹き込むことを特徴とする、高炉の羽口吹き込みランスにおけるランス保護方法。

本発明によれば、窒素ガスや空気などのパージガスの代わりに羽口吹き込みランスから各羽口あたり１０Ｎｍ^３／ｈ以下の少量の易燃性還元材を吹き込むので、易燃性還元材の燃焼反応によって羽口吹き込みランス先端の圧力を高圧に確保することができ、これによって、羽口の圧力変動が起こっても、窒素ガスや空気などのパージガスを用いなくても微粉炭や熱風などの羽口吹き込みランス内への逆流を防止することができる。また、窒素ガスや空気などではなく易燃性還元材を吹き込むので、微粉炭の燃焼阻害や炉内還元反応の阻害を引き起こさない効果も得られ、更には、吹き込む易燃性還元材の量は少量で十分であり、操業への影響も小さく、コスト増大も引き起こさない。

微粉炭燃焼実験炉の外観を示す概略図である。 微粉炭燃焼実験炉のブローパイプ及び羽口吹き込みランスの概略拡大図である。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明では、複数の羽口吹き込みランスを具備する高炉において、高炉の操業中に、窒素ガスや空気をパージガスとして使用せずに、天然ガス、プロパンガス、コークス炉ガス、高炉ガス、転炉ガス、水素ガスなどの易燃性還元材を、１箇所または２箇所以上の吹き込み部位（吹き込み流路）を有する羽口吹き込みランスの少なくとも１つの吹き込み部位から、各羽口あたり１０Ｎｍ^３／ｈ以下の流量で吹き込む。吹き込んだ少量の易燃性還元材は、羽口吹き込みランスの出口位置で熱風中の酸素ガスと燃焼反応を起こして急膨張する。これにより、羽口吹き込みランス先端で局所的に高圧な状態を形成することができ、羽口内のガスなどが羽口吹き込みランス内に逆流することが防止できる。

羽口吹き込みランスが単管の場合は、該単管から易燃性還元材を吹き込み、羽口吹き込みランスが２重管以上の多重管構造の場合は、そのうちの少なくとも１つの吹き込み部位から易燃性還元材を吹き込む。

本発明を用いれば少量の易燃性還元材でパージ効果を発揮することができ、且つ、窒素ガスや空気を吹き込まないので、微粉炭の燃焼性や炉内の還元反応を阻害することがない。また、易燃性還元材を用いており、羽口吹き込みランスの先端で燃焼膨張するため、易燃性還元材の吹き込み流量が少量であっても、十分に逆流防止効果を発揮することができる。

羽口から易燃性還元材を多量に吹き込み過ぎると、羽口先温度の異常低下などの高炉操業の制御に問題を引き起こす懸念があり、また、吹き込み材の過剰使用によりコストアップを引き起こす懸念もあるが、本発明では、羽口あたり１０Ｎｍ^３／ｈ以下の少ない流量の易燃性還元材を吹き込むので、これらの問題は未然に防止される。

また、上記説明は、通常操業では微粉炭などの還元材を吹き込んでいて、トラブルなどにより操業条件が変化した時に微粉炭などの還元材の吹き込みを停止するケースを想定した説明であるが、もちろん、その他のケースでも本発明は成り立つ。

たとえば、通常は微粉炭のみを吹き込む操業をしており、銑鉄の生産量を一時的に増やしたいときのみ易燃性還元材と微粉炭との同時吹き込みに切り替える操業なども想定できる。このときは、最初から二重管ランスを高炉に設置しておき、そして、易燃性還元材の吹き込み部位（吹き込み流路）には本発明の方法で少々の易燃性還元材を流し、逆流防止を施した状態を確保しておく。そして、生産量を増やすタイミングとなったら、必要量の易燃性還元材の吹き込みを行うようにすればよい。

また、通常操業では、羽口吹き込みランスから、易燃性還元材を吹き込まずに、微粉炭などの還元材及び／または酸素ガスや空気などの支燃性ガスを吹き込んでいる場合には、以下のように対処することができる。

つまり、何らかの理由で、羽口吹き込みランスからの還元材及び／または支燃性ガスの吹き込みを停止する際には、前記還元材及び／または支燃性ガスの代わりに羽口あたり１０Ｎｍ^３／ｈ以下の易燃性還元材を吹き込むようにする。

なお、羽口吹き込みランスが、多重管構造であって、吹き込み部位（吹き込み流路）が２つ以上あり、２つ以上の吹き込み部位から還元材を吹き込んでいて、これらの還元材を同時に停止する場合は、羽口吹き込みランスの各吹き込み部位に対し、各吹き込み部位の断面積で均等分割して羽口あたり合計１０Ｎｍ^３／ｈ以下の易燃性還元材を吹き込むようにすればよい。

易燃性還元材の吹き込み量の下限は、特に規定する必要はないが、安定して逆流防止効果を得るためには、１Ｎｍ^３／ｈ以上とすることが好ましい。

微粉炭燃焼実験炉を用いて実機羽口を模擬した条件を作成し、検証実験を行った。微粉炭燃焼実験炉の外観の概略図を図１に示す。微粉炭燃焼実験炉１は、ブローパイプ２と、このブローパイプ２に接続する燃焼室４とで構成され、燃焼室４内のコークス充填層５に、ブローパイプ２から熱風を供給するとともに、ブローパイプ２に設置した２重管構造の羽口吹き込みランス３から微粉炭を供給し、供給した微粉炭の燃焼状態を調査する装置である。

なお、酸素過剰率を０．７程度とする条件で実験を行った。ここで、酸素過剰率とは、羽口から吹き込んだ微粉炭や天然ガスなどの吹き込み材が燃焼反応を起こす際に、吹き込み材が全て完全燃焼してＣＯ_２及びＨ_２Ｏになる際に必要となる酸素量に対して、実際に羽口に吹き込んだ酸素量の比率を表す指標である。完全燃焼後に酸素が余る条件では酸素過剰率が１．０以上となり、酸素が不足して不完全燃焼となる条件では酸素過剰率が１．０未満となる。

また、図２に示すように、２つの吹き込み部位を有する２重管構造の羽口吹き込みランス３の内管７から微粉炭６を吹き込み、外管８から易燃性還元材として天然ガスを吹き込んだ。具体的には、内管７から１８０ｋｇ／溶銑-t相当の微粉炭を吹き込み、且つ、外管８から５ｋｇ／溶銑-t相当（７０Ｎｍ^３／ｈ相当）の天然ガスを吹き込み、この吹き込み条件をベース条件とした。この条件をベースとして、外管８からの天然ガスの吹き込みのみを停止し、その後、外管８からのガスの吹き込み条件を切り替える試験を行った。

本発明例１；外管からの天然ガス吹き込みの停止後、外管から３Ｎｍ^３／ｈ相当だけ天然ガスを吹き込む
本発明例２；外管からの天然ガス吹き込みの停止後、外管から１０Ｎｍ^３／ｈ相当だけ天然ガスを吹き込む
比較例１；外管からの天然ガス吹き込みの停止後、外管から２０Ｎｍ^３／ｈ相当だけ天然ガスを吹き込む
比較例２；外管からの天然ガス吹き込みの停止後、外管には何も吹き込まない
比較例３；外管からの天然ガス吹き込みの停止後、外管に１０Ｎｍ^３／ｈ相当だけ窒素ガスをパージガスとして吹き込む
比較例４；外管からの天然ガス吹き込みの停止後、外管に５０Ｎｍ^３／ｈ相当だけ窒素ガスをパージガスとして吹き込む
これらの結果を表１に示す。

表１には羽口吹き込みランスの外管に流すガスの種類及び吹き込み量とともに、微粉炭の燃焼率と実験後の目視確認によるランス状態とが示されている。ここで微粉炭の燃焼率は、微粉炭における可燃成分のうち、レースウェイ位置においてどれだけ燃焼して消費されたかを示す指標である。微粉炭の燃焼率η（％）はレースウェイ位置にサンプリング管を差しこんでレースウェイ内の微粉炭を取得し、レースウェイ内の微粉炭に含まれる灰分割合ash（質量％）と、吹き込み前の元の微粉炭の灰分割合ash₀（質量％）とから、下記の（１）式によって算出することができる。

本発明例１及び本発明例２では、それぞれ３Ｎｍ^３／ｈ相当、１０Ｎｍ^３／ｈ相当の天然ガスを外管から吹き込んで逆流防止を行った。試験後、羽口吹き込みランスの状態を確認したところ、どちらも健全な状態であることが確認できた。

比較例１では、外管から２０Ｎｍ^３／ｈ相当の天然ガスを吹き込むようにした。このときも羽口吹き込みランスは健全な状態を保てているが、一方でレースウェイにおける理論燃焼温度が２０℃程度下がってしまった。これを実機の状態に置き換えると、溶銑温度の低下や炉冷などの操業不安定を引き起こす懸念があり好ましくない。この結果から、逆流防止のための天然ガス吹き込み量は１０Ｎｍ^３／ｈ以下が最適であることが確認できた。

比較例２は、外管から何も吹き込まない条件である。実験後の羽口吹き込みランスを確認したところ、高熱負荷を受けた状態が羽口吹き込みランスに確認できた。したがって、比較例２では羽口吹き込みランスの損傷の懸念がある。

比較例３は、外管から１０Ｎｍ^３／ｈ相当の窒素ガスをパージガスとして吹き込んだ条件である。実験後の羽口吹き込みランスを確認したところ、比較例２と同様に、高熱負荷を受けた跡が確認できた。つまり、同じ１０Ｎｍ^３／ｈのガスを吹き込んだとしても、燃焼しない窒素ガスでは逆流防止効果がなく、燃焼性を有する易燃性還元材を用いる必要のあることが確認できた。

比較例４は、外管から５０Ｎｍ^３／ｈ相当の窒素ガスパージガスとして吹き込んだ条件である。試験後の羽口吹き込みランスに異常はなく、逆流は抑止できた。しかしながら、窒素ガスによる燃焼阻害が起こり、微粉炭の燃焼率が低下した。この結果から、比較例４は望ましくないことが確認できた。

１ 微粉炭燃焼実験炉
２ ブローパイプ
３ 羽口吹き込みランス
４ 燃焼室
５ コークス充填層
６ 微粉炭
７ 内管
８ 外管

Claims (2)

1. 羽口吹き込みランスを具備する高炉において、羽口吹き込みランスの少なくとも１つの吹き込み部位から、各羽口あたり１０Ｎｍ^３／ｈ以下の易燃性還元材を吹き込むことを特徴とする、高炉の羽口吹き込みランスにおけるランス保護方法。
2. 通常操業では羽口吹き込みランスから、還元材及び／または支燃性ガスを吹き込む高炉において、前記還元材及び／または支燃性ガスの吹き込みを停止する際に、前記還元材及び／または支燃性ガスを停止した羽口に対し、前記還元材及び／または支燃性ガスの代わりに１０Ｎｍ^３／ｈ以下の易燃性還元材を吹き込むことを特徴とする、高炉の羽口吹き込みランスにおけるランス保護方法。