JP2018016854A - 高炉操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ランスの損耗および煤の発生を併せて抑止できる高炉操業方法を提供する。【解決手段】羽口吹き込みランスを有する高炉羽口から固体還元材および液体還元材を同時に高炉内に吹き込むに際し、羽口吹き込みランスとして多重管ランスを用い、この多重管ランスの最内管および最外管の一方から固体還元材を、他方、固体還元材を吹き込んでいない該多重管ランスの最内管または最外管から液体還元材をそれぞれ吹き込む。【選択図】図２

Description

本発明は、高炉操業方法に関するものである。

近年、高炉におけるコークスの使用量を抑えるために、微粉炭や易燃性還元ガス（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ガス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介して、微粉炭や易燃性還元ガスが熱風と共に高炉内へ供給される。

このブローパイプには、ブローパイプ内に材料を吹き込むための吹き込み用ランスが設けられ、微粉炭や易燃性還元ガスは、この吹き込み用ランスを介してブローパイプ内を流れる熱風に吹き込まれる構造になっている。そして、この微粉炭や易燃性還元ガスは、ブローパイプ内および高炉内のレースウェイと呼ばれる燃焼空間で燃焼されることにより、コークスの代替として機能する。

コークスの使用量を大きく削減するためには、微粉炭をレースウェイ内で効率よく燃焼・ガス化させることが重要となる。一方で微粉炭吹き込み量を増大すると、未燃焼の微粉炭が炉内に侵入して高炉の炉況悪化を招くという問題が生じる。

このため、高炉の炉況安定を保ったまま可能な限り多量の微粉炭をレースウェイでガス化し、コークス比削減に繋げるためのさまざまな技術が開発されている。

例えば、特許文献１には、レースウェイにおける微粉炭の燃焼を促進するために羽口から還元材を吹込むランスを二重管とし、二重管ランスの一方からＬＮＧを吹込み、もう一方から微粉炭を吹込むことでレースウェイの燃焼温度を大幅に上げることができ、かつ外側管の出口速度を２０〜１２０ｍ／ｓとすることでランスの変形を防止することができる吹き込み方法が提案されている。

また、特許文献２には、高結晶水鉱石を使用する高炉に対し、高炉および羽口への投入水素量が適正範囲となるように羽口から気体還元材もしくは液体還元材を吹き込むことで、高結晶水鉱石の還元粉化を抑止しつつ高炉で利用できる方法が提案されている。

特許文献３には、高炉にタール・重質油を吹き込む際、その近傍にガス燃料を吹き込むことで、熱風温度が比較的低い条件でもタール・重質油の燃焼率を十分に高く保つことができる方法が提案されている。

特許文献４には、燃焼性の異なる羽口吹き込み還元材、例えば微粉炭、Ｃ重油、コークス炉ガスに対し、燃焼性の良い補助燃料ほど炉内側から吹き込むようにすることで、羽口圧損を等しく保ち炉況悪化を抑止する方法が提案されている。

特開２０１３−１９００７号公報 特許第４７５９９７７号公報 特開昭６２−２３８３０７号公報 特開平４−２４７８１８号公報

特許文献１の方法は、微粉炭とともに易燃性還元ガスを同時に吹き込むことにより、微粉炭の昇温を促進して微粉炭の燃焼性を高位に保つことができる優れた方法であるが、一方で、この方法はランスへの熱負荷が大きく、ランスの損耗が懸念される。そこで、特許文献１では、外側管のガス流速を２０ｍ／ｓ以上としてランスを冷却することによりランスの損耗を抑止する方法を取り入れている。
しかしながら、特許文献１の方法を施行してみたところ、条件によってはランスが熱負荷を受けることが分かった。そこで、詳しく調べたところ、微粉炭の燃焼が安定しているときはランスの損耗は無くきわめて良好であったが、微粉炭の燃焼が不安定となり火炎が揺らぐ条件のときは、瞬間的に強い熱輻射を受けて若干ながらランスの損耗が起こることが分かった。
すなわち、特許文献１の方法は、ランス損耗抑止の観点からは必ずしも十分な方法とは言えないことが判明した。

また、羽口吹き込み還元材として液体還元材を吹き込む方法は、特許文献２，３、４で提案されている。しかしながら、特許文献２、３、４では、微粉炭と液体還元材の同時吹き込み時における燃焼性およびランスの損耗に関しては考慮が払われてなく、また原理的にこれらの手法ではランス保護が十分に保てるとは言い難い。

本発明は、上記の課題を解決すべく、高炉における微粉炭の燃焼状態を勘案して開発されたもので、その要旨構成は次のとおりである。

１．羽口吹き込みランスを有する高炉羽口から固体還元材および液体還元材を同時に高炉内に吹き込む高炉操業方法において、該ランスとして多重管ランスを用い、該多重管ランスの最内管および最外管の一方から固体還元材を、他方、該固体還元材を吹き込んでいない該多重管ランスの最内管または最外管から液体還元材をそれぞれ吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。

２．前記１において、羽口吹き込みランスとして二重管ランスを用い、内管より固体還元材を、外管より液体還元材をそれぞれ吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。

３．前記１または２において、液体還元材の吹込み原単位をＬＲ（ｋｇ／ｔ）、固体還元材比をＰＣＲ(ｋｇ／ｔ）、固体還元材における揮発分質量比率をＶＭとするとき、これらが、次式（１）
０．００６０＜ＬＲ／｛ＰＣＲ×（１−ＶＭ）｝・・・（１）
の関係を満足する条件で液体還元材を吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。

４．前記１、２または３において、液体還元材の吹込み原単位をＬＲ（ｋｇ／ｔ）、固体還元材比をＰＣＲ（ｋｇ／ｔ）、固体還元材における揮発分質量比率をＶＭとするとき、これらが、次式（２）
ＬＲ＋ＰＣＲ・ＶＭ＜１１０．０（ｋｇ／ｔ）・・・（２）
の関係を満足する条件で液体還元材を吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。

本発明によれば、羽口の吹き込みランスを多重管とし、この多重管ランスの最内管および最外管の一方から固体還元材を吹き込むと共に、かかる固体還元材を吹き込んでいない多重管ランスの最内管および最外管から液体還元材を吹き込むようにしたので、液体接触による強冷却効果によりランスを強力に冷却することができ、その結果、ランスの損耗を効果的に抑止することができる。
また、液体還元材は固体還元材よりも燃焼が早いので、本発明に従い、固体還元材と同時に吹き込むことで液体還元材の早期燃焼火炎によって固体還元材の昇温が促進され、その結果、固体還元材の燃焼率の向上も併せて達成することができる。

実施例で用いた微粉炭燃焼実験炉の模式図である。 図１の要部拡大図である。

以下、本発明を具体的に説明する。なお、多重管ランスとしては二重管ランスを、また固体還元材としては微粉炭を用いる場合について説明する。
近年、さまざまな技術開発により微粉炭の燃焼性が向上してきたため、ランスによる噴射直後から微粉炭の燃焼が起こるようになってきた。しかしながら、微粉炭の燃焼場は必ずしも安定であるとは限らず、特に高微粉炭比条件では火炎が不安定となる。このとき、微粉炭の燃焼火炎の揺らぎに応じて瞬間的に極めて大きな熱輻射が発せられることがある。

そのため、平均的な熱負荷としては十分耐え得るような冷却能を兼ね備えたランスを用いたとしても、瞬間的な巨大熱負荷によりランスの損耗が発生することがあった。
従って、高燃焼性の微粉炭吹き込み操業においてランス損耗を抑止するためには、燃焼火炎の安定性と冷却能との両面を考慮した吹き込み方法が必要となる。

そこで、本発明では、吹き込みランスを二重管とし、好ましくはその外管を液体還元材が流通するようにしたのである。液体還元材は、ランス内ではまだ液体状態を保っているので、ランス壁との間の熱伝達率が高く、極めて強い冷却効果を示す。よって、特許文献１のように、ランスにガスを流すことでランス冷却能を確保する方法に比べ、良好なランス損耗抑止効果が得られる。

ところで、微粉炭燃焼火炎の不安定化は、レースウェイ内で燃焼しきれなかった未燃焼のチャーやアッシュがレースウェイ末端部や炉心の通気性を悪化させることで引き起こされる。また、揮発分は比較的短時間で揮発・燃焼を起こすため、揮発分が高い微粉炭ほど未燃焼チャーが少なく、燃焼火炎は安定となる。換言すれば、羽口に吹き込まれるチャーやアッシュの量が多いほど火炎が不安定となり、瞬間的な強い熱輻射が発せられてランス損耗を引き起こしやすくなる。一方で、液体還元材はランスを冷却する効果があるので、液体還元材吹き込み量が多いほどランスの損耗は抑止される。

羽口に吹き込まれたトータルのチャーとアッシュの量は、微粉炭比をＰＣＲ（ｋｇ／ｔ）、微粉炭における揮発分質量比率をＶＭとしたとき、ＰＣＲ（１−ＶＭ）［ｋｇ／ｔ］で表される。よって、液体還元材の吹込み原単位をＬＲ（ｋｇ／ｔ）としたとき、ＰＣＲ（１−ＶＭ）に対するＬＲの比、すなわちＬＲ／｛ＰＣＲ×（１−ＶＭ）｝の値が大きいほどランス損耗抑止効果が高いと考えることができる。
このように、ＬＲ／｛ＰＣＲ×（１−ＶＭ）｝の値が十分大きければランス損耗は抑止できるが、ＬＲ／｛ＰＣＲ×（１−ＶＭ）｝の値が０．００６０以下となると、火炎不安定性に由来する瞬間的な輻射加熱が液体還元材の冷却効果よりも大きくなってしまうので、ランス損耗が発生するおそれがある。
従って、液体還元材の吹き込みに際しては、液体還元材の吹込み原単位をＬＲ（ｋｇ／ｔ）、微粉炭比をＰＣＲ(ｋｇ／ｔ）、微粉炭における揮発分質量比率をＶＭとするとき、これらが、次式（１）
０．００６０＜ＬＲ／｛ＰＣＲ×（１−ＶＭ）｝・・・（１）
の関係を満足する条件で吹き込むことが有利である。

また、液体還元材は多量に吹き込みすぎると炉頂から煤となって出てしまい、還元材として有効に利用されないので、逆に還元材比の上昇を招く。煤は、液体還元材が燃焼する際に酸素が不足していると発生しやすくなるので、本発明のように微粉炭と同時に液体還元材を吹き込む条件では、さらに酸素欠乏が進み、煤を発生しやすい環境になる。微粉炭のチャー成分は液体還元材よりも燃焼が遅いので、液体還元材の酸素欠乏には影響しないものの、揮発分は燃焼が早いため液体還元材の燃焼と競合し、液体還元材燃焼の際の酸素欠乏を引き起こす。
従って、煤を発生させないためには、液体還元材と揮発分の総量が規定値以下となるように操業することが好ましい。

そこで、この点について発明者らが検討したところ、液体還元材の吹込み原単位をＬＲ（ｋｇ／ｔ）、微粉炭比をＰＣＲ(ｋｇ／ｔ）、微粉炭における揮発分質量比率をＶＭとするとき、これらが、次式（２）
ＬＲ＋ＰＣＲ・ＶＭ＜１１０．０（ｋｇ／ｔ）・・・（２）
の関係を満足する条件で液体還元材を吹き込めば、煤の発生が回避されることが判明した。
逆に、ＬＲ＋ＰＣＲ・ＶＭが１１０．０ｋｇ／ｔ以上となる条件では、炉頂より煤が発生して吹き込み還元材の利用効率が悪化し、還元材比の増大を引き起こす。

本発明の多重管ランスとしては、二重管ランスの他、三重管ランスや四重管ランス等、さらには並列型ランスも含むものとする。
また、本発明において、固体還元材としては、微粉炭の他、木炭、木質廃材、廃棄物固形燃料等などが考えられる。さらに、液体還元材としては、常温で液体であり、酸素と燃焼反応を起こすものであればどんなものでも良い。例えば、重油、軽油、タール、菜種油、ガソリンなどが考えられる。

また、液体還元材は天然ガスなどの気体還元材よりは着火が遅いが、固体還元材よりは着火が早い。このため、液体還元材は、固体還元材よりも先に燃焼するので、固体還元材の昇温を促進し、固体還元材の燃焼率を向上させる効果もある。ここに、固体還元材の燃焼促進効果を引き出すためには、液体還元材は１ｋｇ／ｔ以上吹き込むことが有利である。

固体還元材としては微粉炭を用い、図１に示すような微粉炭燃焼実験炉を用いて、実機羽口を模擬した条件で、以下に述べる検証実験を行った。なお、実験には、多重管ランスとして二重管ランスを用いた。また、二重管ランスの内管から微粉炭を、外管から液体還元材を吹き込む場合について調査した。図２に、図１の要部を拡大して示す。図中、符号１が二重管ランスであり、２でランス内管から吹き込む微粉炭を、３でランス外管から吹き込む液体還元材を示す。また、４はブローパイプ、５はコークス充填槽であり、６で排ガスを示す。
なお、実験では、微粉炭比は１８０ｋｇ／ｔ相当（実験炉では６０ｋｇ／ｈ）とした。また、液体還元材としては重油を用いた。微粉炭は揮発分率の異なる３種類を用い、以下に示す３つの実験を行った。

［実験１］揮発分比率０．１９の微粉炭
中程度の揮発分（ＶＭ＝０．１９）の微粉炭を用い、表１に示すように液体還元材吹き込み量を漸次増大していく試験を行った。表１には、微粉炭比ＰＣＲ（ｋｇ／ｔ）、液体還元材比ＬＲ（ｋｇ／ｔ）、微粉炭の揮発分比率ＶＭ（−）、および、それぞれの条件におけるＬＲ／｛ＰＣＲ×（１−ＶＭ）｝の値およびＬＲ＋ＰＣＲ・ＶＭの値を示す。なお、液体還元材比ＬＲについては、実験炉流量と実機相当値を併せて示す。
この条件で微粉炭燃焼実験炉にて燃焼試験を行った結果を、表１に併記する。

実験後のランスを調べたところ、表１に示したように、液体還元材の吹込みがない条件（ＬＲ／｛ＰＣＲ×（１−ＶＭ）｝＝０）では、ランスに大きな熱負荷を受けた損傷跡が見られたが、液体還元材をある程度以上（ＬＲ／｛ＰＣＲ×（１−ＶＭ）｝＞０．００６０）吹き込んだときはランスに損傷跡は見当たらなくなった。また、さらに液体還元材の吹き込み量を増していったところ、８０ｋｇ／ｔ相当（このときＬＲ＋ＰＣＲ×ＶＭ＝１１４．２ｋｇ／ｔ）となった時点で、コークス充填層から煤の噴き出しが観測された。

［実験２］揮発分比率０．０３の微粉炭
低揮発分（ＶＭ＝０．０３）の微粉炭を用いて同様の実験を試みた。そのときの条件および結果を表２に示す。このとき燃焼火炎はやや不安定であり、時折強い熱輻射が観測された。

実験後ランスの状態を調べたところ、表２に示したとおり、液体還元材の吹き込み量が小さい条件（ＬＲ／｛ＰＣＲ×（１−ＶＭ）｝＝０および０．００５７）では、ランスに熱負荷を受けた損傷跡が見受けられたが、液体還元材の流量を増した条件（ＬＲ／｛ＰＣＲ×（１−ＶＭ）｝＝０．０１１５）では、ランスの損傷は無かった。また、この実験ではどの条件も煤発生抑止の条件（ＬＲ＋ＰＣＲ×ＶＭ＜１１０．０ｋｇ／ｔ）を満たしているので、想定どおり充填層からの煤の吹き出しは観測されなかった。

［実験３］高揮発分微粉炭の条件
高揮発分（ＶＭ＝０．３９）の微粉炭を用いて同様の実験を試みた。そのときの条件および結果を表３に示す。

この実験ではどの条件もＬＲ／｛ＰＣＲ×（１−ＶＭ）｝＞０．００６０を満たしているため、実験後ランスの状態を調べたところ、表３に示したように、すべてランスは健全であり、ランスの損耗はないことが確認された。また、液体還元材吹き込み量を増していったところ、４０ｋｇ／ｔ（このときＬＲ＋ＰＣＲ・ＶＭ＞１１０．２ｋｇ／ｔ）の時点で充填層から煤の発生が観測された。

［実験４］として、二重管ランスからの微粉炭と液体還元材の吹き込みを逆にすること以外は、実験１と同様にして高炉操業を行った場合のランスの損傷および煤の発生について調査したが、この場合も実験１と同等の結果を得ることができた。

以上の［実験１］−［実験４］より、本発明に従う好適条件で液体還元材と微粉炭の同時吹込みを行うことにより、ランスの損耗および煤の発生を併せて抑止できることが確認された。

１ 二重管ランス
２ ランス内管から吹き込む微粉炭
３ ランス外管から吹き込む液体還元材
４ ブローパイプ
５ コークス充填槽
６ 排ガス

Claims (4)

1. 羽口吹き込みランスを有する高炉羽口から固体還元材および液体還元材を同時に高炉内に吹き込む高炉操業方法において、該ランスとして多重管ランスを用い、該多重管ランスの最内管および最外管の一方から固体還元材を、他方、該固体還元材を吹き込んでいない該多重管ランスの最内管または最外管から液体還元材をそれぞれ吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。
2. 請求項１において、前記羽口吹き込みランスとして二重管ランスを用い、内管より固体還元材を、外管より液体還元材をそれぞれ吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。
3. 請求項１または２において、液体還元材の吹込み原単位をＬＲ（ｋｇ／ｔ）、固体還元材比をＰＣＲ(ｋｇ／ｔ）、固体還元材における揮発分質量比率をＶＭとするとき、これらが、次式（１）
   ０．００６０＜ＬＲ／｛ＰＣＲ×（１−ＶＭ）｝・・・（１）
   の関係を満足する条件で液体還元材を吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。
4. 請求項１、２または３において、液体還元材の吹込み原単位をＬＲ（ｋｇ／ｔ）、固体還元材比をＰＣＲ（ｋｇ／ｔ）、固体還元材における揮発分質量比率をＶＭとするとき、これらが、次式（２）
   ＬＲ＋ＰＣＲ・ＶＭ＜１１０．０（ｋｇ／ｔ）・・・（２）
   の関係を満足する条件で液体還元材を吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。
   

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