JP2020132928A - 還元ガスの吹込み量決定方法及び高炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の還元材比削減効果を得ることが可能な、新規かつ改良された還元ガスの吹込み量決定方法及び高炉の操業方法を提供する。【解決手段】本発明のある観点によれば、炭素原子と水素原子とのモル比Ｃ／Ｈが０．１５以上である還元ガスの高炉への吹込み量を決定する還元ガスの吹込み量決定方法であって、還元ガスの高炉への吹き込みによる炭素消費原単位の削減量Ｉｎｐｕｔ △Ｃと還元ガスにより高炉に持ち込まれる炭素の原単位との相関に基づいて、炭素の原単位の設定値を規定し、設定値と還元ガス中の炭素割合とに基づいて、還元ガスの高炉への吹込み量を決定することを特徴とする、還元ガスの吹込み量決定方法が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、還元ガスの吹込み量決定方法及び高炉の操業方法に関する。

鉄鋼業においては、高炉法が銑鉄製造工程の主流を担っている。高炉法においては、高炉の炉頂から高炉用鉄系原料（酸化鉄を含む原料。主として、焼結鉱。以下、単に「鉄系原料」とも称する）及びコークスを高炉内に交互かつ層状に装入する一方で、高炉下部の羽口から熱風を高炉内に吹き込む。熱風は、熱風とともに吹き込まれる微粉炭、及び、高炉内のコークスと反応することで、高炉内で高温の還元ガス（ここでは主としてＣＯガス）を発生させる。すなわち、熱風は、高炉内でコークス及び微粉炭をガス化させる。還元ガスは、高炉内を上昇し、鉄系原料を加熱しながら還元する。鉄系原料は、高炉内を降下する一方で、還元ガスにより加熱及び還元される。その後、鉄系原料は溶融し、コークスによってさらに還元されながら高炉内を滴下する。鉄系原料は、最終的には炭素を５質量％弱含む溶銑（銑鉄）として炉床部に溜められる。炉床部の溶銑は、出銑口から取り出され、次の製鋼プロセスに供される。したがって、高炉法では、コークス及び微粉炭等の炭材を還元材として使用する。

ところで、近年、地球温暖化が社会問題になっており、その対策として温室効果ガスの一つである二酸化炭素（ＣＯ_２ガス）の排出量削減が叫ばれている。上述したように、高炉法では、還元材として炭材を使用して大量の銑鉄を製造するので、大量のＣＯ_２を発生する。したがって、鉄鋼業はＣＯ_２ガス排出量において主要な産業のひとつとなっており、その社会的要請に応えねばならない。具体的には、高炉操業での更なる還元材比（溶銑１トンあたりの還元材使用量）の削減が急務となっている。なお、還元材比とは、具体的には、溶銑１トンを製造するのに要したコークス及び微粉炭（並びに、羽口から還元ガスを吹き込む場合には、羽口から吹き込む還元ガス（後述））の合計質量をいう。

還元材は炉内で熱となって装入物を昇温させる役割と、炉内の鉄系原料を還元する役割があり、還元材比を低減させるためには炉内の還元効率を上げる必要がある。炉内の還元反応は様々な反応式で表記することができる。これらの還元反応のうち、コークスによる直接還元反応（反応式：ＦｅＯ＋Ｃ⇒Ｆｅ＋ＣＯ）は大きな吸熱を伴う吸熱反応である。したがって、直接還元反応を極力発生させないことが還元材比の低減において重要となる。直接還元反応を発生させないようにすれば、直接還元反応に要するコークス、及び熱源として使用される還元材の使用量を低減することができるからである。この直接還元反応は高炉炉下部で生じる反応であるため、鉄系原料が炉下部に至るまでにＣＯ、Ｈ_２等の還元ガスで鉄系原料を十分に還元することができれば、直接還元反応の対象となる鉄系原料を減らすことができる。

上記課題を解決するための従来技術として、例えば特許文献１〜３に開示されるように、羽口から熱風と共に炭素を含む還元ガス（ＣＯＧ、ＬＰＧ、メタンガス等）を吹き込むことで、炉内の還元ガスポテンシャルを向上させる技術が知られている。この技術では、羽口から吹き込まれる還元ガス中の炭素が高炉内でＣＯガスとなり、鉄系原料を還元する。これにより、直接還元反応の対象となる鉄系原料を減らすことができる。なお、以下の説明では、特に断りがない限り、「炭素」、「水素」はそれぞれ、炭素原子、水素原子を意味するものとする。

特許第６０１９８９３号公報 特許第５０７０７０６号公報 特開２００７−１６９７５０号公報

しかしながら、炭素を含む還元ガスの吹込み量（溶銑１トンあたりの吹込み量）を増加させた場合、吹込み量の増加に伴って高炉へ投入される炭素量も増加する。還元ガスの吹込み量の増加に伴って、高炉のＣＯガス利用率は変化するが、還元ガスの吹込み量を過剰に増加させた場合、多くの還元ガスが炉内で使用されずに排出されてしまう。したがって、単に還元ガスの吹込み量を増加させただけでは、還元ガス中の炭素が還元に使用されずに排出されることになり、かえって還元材比が増加、あるいはＣＯ_２排出量が増加する可能性がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、所望の還元材比削減効果を得ることが可能な、新規かつ改良された還元ガスの吹込み量決定方法及び高炉の操業方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明者は、まず、還元ガスの高炉への吹き込みによる炭素消費原単位の削減量Ｉｎｐｕｔ △Ｃというパラメータを規定した。ここで、炭素消費原単位Ｉｎｐｕｔ Ｃ（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）は、溶銑１トンあたりの炭素消費量、より具体的には、溶銑１トンを製造するのに要したコークス及び微粉炭、並びに羽口から吹き込む還元ガス中に含まれる炭素の合計質量をいう。Ｉｎｐｕｔ Ｃは、具体的には以下の数式（１）で算出される。

Ｉｎｐｕｔ Ｃ（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）＝コークス比（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）×コークス中の炭素割合（質量％）＋微粉炭比（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）×微粉炭中の炭素割合（質量％）＋還元ガス使用量原単位（Ｎｍ^３／ｔ−ｐｉｇ）×還元ガス中の炭素割合（ｋｇ／Ｎｍ^３）

ここで、コークス比及び微粉炭比は、それぞれ溶銑１トンあたりのコークス及び微粉炭の使用量である。還元ガス使用量原単位は、溶銑１トンあたりの還元ガスの吹込み量である。コークス中の炭素割合はコークスの総質量に対する炭素の質量％であり、微粉炭中の炭素割合は微粉炭の総質量に対する炭素の質量％である。還元ガス中の炭素割合は還元ガスの単位体積あたりの炭素含有量である。なお、数式（１）では、還元ガス使用量原単位を、溶銑１トンを製造するために吹き込む還元ガスの体積（Ｎｍ^３／ｔ−ｐｉｇ）とし、還元ガス中の炭素割合を還元ガスの単位体積あたりの炭素含有量（ｋｇ／Ｎｍ^３）としたが、還元ガス使用量原単位を、溶銑１トンを製造するために吹き込む還元ガスの質量（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）とし、還元ガス中の炭素割合を還元ガスの総質量に対する炭素の質量％としてもよい。

Ｉｎｐｕｔ △Ｃは、例えば、所定量の還元ガス吹き込みを行う操業の、ベース操業に対する炭素消費原単位（Ｉｎｐｕｔ Ｃ）の削減割合（百分率、％）として規定できる。ベース操業としては、例えば還元ガスの吹き込みを行わない操業条件を設定することができる。ベース操業のＩｎｐｕｔ ＣをＡ（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）、所定量の還元ガスを吹き込む操業におけるＩｎｐｕｔ ＣをＢ（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）とすると、Ｉｎｐｕｔ △Ｃは、以下の数式（２）で示される。もちろん、炭素消費原単位の削減量Ｉｎｐｕｔ △Ｃは以下の数式（２）に示されるものに限られず、ベース操業に対する炭素消費原単位の削減の程度を示す値であればよい。例えば、Ｉｎｐｕｔ △ＣはＡ、Ｂの差分（Ａ−Ｂ）等であってもよい。

Ｉｎｐｕｔ △Ｃ＝（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００（％） （２）

Ｉｎｐｕｔ △Ｃは還元材比に対応するパラメータであり、Ｉｎｐｕｔ △Ｃが大きい程、ベース操業に対する還元材比の低減量が大きいことになる。そして、本発明者は、後述の実施例で詳述するように、還元ガスの種類と吹込み量（溶銑１トンあたりの吹込み量）を変更して高炉操業シミュレーションを行い、複数の還元ガスの吹込み量に対するＩｎｐｕｔ △Ｃを算出した。この結果、還元ガスの吹込み量が少ないうちは吹込み量の増加に伴ってＩｎｐｕｔ △Ｃが増加するが、還元ガスの吹込み量をさらに増加させていくとＩｎｐｕｔ △Ｃの増加量は目減りし、やがて減少に転じることが明らかになった。

そこで、本発明者は、Ｉｎｐｕｔ △Ｃあるいは還元材比に影響を与えるパラメータについて検討した。まず、本発明者は、溶銑１トンあたりの高炉内への水素投入量（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）に着目した。ここでの水素は、羽口前に投入される水素をいい、還元ガスに含まれる水素の他、送風湿分中の水素及び微粉炭中の水素も含まれる。そして、本発明者は、還元ガスの種類と吹込み量を変更することで水素投入量を変更し、このときの水素投入量と水素還元率（％）との相関を高炉操業シミュレーションにより求めた。ここで、水素還元率は、炉内に投入した鉄酸化物のうち水素によって還元された割合として定義され、ＣＯ還元率（ＣＯガスによって還元された割合）及び直接還元率（Ｃとの直接還元によって還元された割合）との合計は１００％になるものである。この結果を図２に示す。図２では、還元ガスとしてコークス炉ガス（ＣＯＧ）、天然ガス（ＮＧ）、及びコークス炉ガスと水素ガスの混合ガスを使用した。ここで、混合ガスにおけるコークス炉ガスと水素ガスの混合は炉内への全水素投入量≒２７０Ｎｍ^３／ｔ−ｐｉｇでＣＯＧ：Ｈ_２＝１：１．４３、炉内への全水素投入量≒３４０Ｎｍ^３／ｔ−ｐｉｇでＣＯＧ：Ｈ_２＝１：２．２８とした。ベース操業では還元ガスの吹き込みを行わなかった。この結果、還元ガスの種類にかかわらず、水素投入量が増加すると水素還元率（％）もほぼ単調増加することがわかった。鉄系原料が完全に還元されたとき、水素還元率、ＣＯ還元率及び直接還元率の合計は１００％であり、水素還元率が増加すると直接還元率（またはＣＯ還元率）は低下する関係にある。図３にこのときの直接還元率を示すが、本検討においては、水素投入量を増加させれば水素還元率が単調増加して直接還元率が単調減少しており、Ｉｎｐｕｔ △Ｃは水素投入量の増加に伴って単調増加するため、水素投入量の増加によってＩｎｐｕｔ △Ｃの増加量が目減りしたり、減少に転じたりという特異的な挙動が生じることは考えにくい。したがって、水素投入量はＩｎｐｕｔ △Ｃあるいは還元材比の挙動に影響を与えるパラメータではないことがわかった。

つぎに、本発明者は、羽口から吹き込む還元ガスにより高炉に持ち込まれる炭素の原単位に着目した。ここで、還元ガスにより高炉に持ち込まれる炭素の原単位は、溶銑１トンあたりの還元ガスの吹込み量（Ｎｍ^３／ｔ−ｐｉｇ）に還元ガス中の炭素割合（ｋｇ／Ｎｍ^３）を乗じることで得られる値である。以下、還元ガスにより高炉に持ち込まれる炭素の原単位を単に「還元ガス中の炭素原単位」とも称する。

そして、本発明者は、後述の実施例で詳述するように、還元ガス中の炭素原単位及び還元ガスの種類を変更して高炉操業シミュレーションを行い、Ｉｎｐｕｔ △Ｃを算出した。この結果、本発明者は、還元ガスの種類によらず、還元ガス中の炭素原単位が求まればＩｎｐｕｔ △Ｃが一意に特定されることを見出した。したがって、Ｉｎｐｕｔ △Ｃと還元ガス中の炭素原単位との間に相関があることが明らかになった。

この相関に基づいて還元ガス中の炭素原単位の設定値を規定し、設定値に基づいて還元ガスの吹込み量を決定すれば、所望のＩｎｐｕｔ △Ｃが得られることになる。つまり、所望の還元材比削減効果を得ることができ、ひいては、より確実に還元材比を低減することができる。さらに、この相関によれば、Ｉｎｐｕｔ △Ｃは還元ガス中の炭素原単位がある値となる場合に極大値を示す（詳細なグラフは後述する）。したがって、この極大値の近辺で還元ガス中の炭素原単位の設定値を規定すれば、還元材比をより効率的に低減することができる。さらに、上記相関を求めておけば、その後は還元ガスの種類によらず上記相関に基づいて還元ガスの吹込み量を決定できる。本発明者は、このような知見に基づいて、本発明を完成させた。

本発明のある観点によれば、炭素原子と水素原子とのモル比Ｃ／Ｈが０．１５以上である還元ガスの高炉への吹込み量を決定する還元ガスの吹込み量決定方法であって、還元ガスの高炉への吹き込みによる炭素消費原単位の削減量Ｉｎｐｕｔ △Ｃと還元ガスにより高炉に持ち込まれる炭素の原単位との相関に基づいて、炭素の原単位の設定値を規定し、設定値と還元ガス中の炭素割合とに基づいて、還元ガスの高炉への吹込み量を決定することを特徴とする、還元ガスの吹込み量決定方法が提供される。

ここで、設定値を２１〜１０７ｋｇ／ｔ−ｐｉｇの範囲内の値としてもよい。

また、設定値を２１〜６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇの範囲内の値としてもよい。

また、還元ガスは、コークス炉ガス、天然ガス、及び都市ガス、並びにこれらの混合ガスからなる群から選択されてもよい。

本発明の他の観点によれば、上記の還元ガスの吹込み量決定方法により決定された吹込み量の還元ガスを高炉に吹き込むことを特徴とする、高炉の操業方法が提供される。

以上説明したように本発明によれば、所望の還元材比削減効果を得ることが可能となる。

Ｉｎｐｕｔ △Ｃと還元ガス中の炭素原単位との相関を示すグラフである。 水素還元率と溶銑１トンあたりの高炉内への水素投入量（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）との関係を示すグラフである。 直接還元率と溶銑１トンあたりの高炉内への水素投入量（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）との関係を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

＜１．Ｉｎｐｕｔ △Ｃと還元ガス中の炭素原単位との相関＞
まず、図１に基づいて、Ｉｎｐｕｔ △Ｃと羽口から吹き込む還元ガス中の炭素原単位との相関（以下、当該相関を「△Ｃ−還元ガス相関」とも称する）について説明する。図１の縦軸（ｙ軸）はＩｎｐｕｔ △Ｃ（％）を示し、横軸（ｘ軸）は還元ガス中の炭素原単位（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）を示す。点Ｐ１はベース操業（還元ガスを吹き込まない操業）におけるＩｎｐｕｔ △Ｃ及び還元ガス中の炭素原単位を示し、点Ｐ２は還元ガスとしてコークス炉ガス（ＣＯＧ）を吹き込んだ操業におけるＩｎｐｕｔ △Ｃ及び還元ガス中の炭素原単位を示し、点Ｐ３は還元ガスとして天然ガスを吹き込んだ操業におけるＩｎｐｕｔ △Ｃ及び還元ガス中の炭素原単位を示す。グラフＬ１は△Ｃ−還元ガス相関を示すグラフである。

ここで、Ｉｎｐｕｔ △Ｃは、上述したように、還元ガスの高炉への吹き込みによる炭素消費原単位の削減割合として規定できる。ベース操業のＩｎｐｕｔ ＣをＡ（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）、所定量の還元ガスを吹き込む操業におけるＩｎｐｕｔ ＣをＢ（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）とすると、Ｉｎｐｕｔ △Ｃは、以下の数式（２）で示される。なお、図１において、ベース操業ではＩｎｐｕｔ △Ｃ＝０．０とされる。もちろん、Ｉｎｐｕｔ △Ｃは以下の数式（２）に示されるものに限られず、Ａ、Ｂの差分（Ａ−Ｂ）等をＩｎｐｕｔ△ Ｃとしてもよい。
Ｉｎｐｕｔ △Ｃ＝（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００（％） （２）

還元ガス中の炭素原単位は、上述したように、羽口から吹き込む還元ガスにより高炉に持ち込まれる炭素の原単位であり、溶銑１トンあたりの還元ガスの吹込み量（Ｎｍ^３／ｔ−ｐｉｇ）に還元ガス中の炭素割合（ｋｇ／Ｎｍ^３）を乗じることで得られる。

還元ガスは、高炉に設けられる羽口から高炉内に吹き込まれる。還元ガスは、高炉内の鉄系原料を還元する還元成分を含む。ここで、本実施形態の還元成分は、それ自体が鉄系原料を還元することができる成分（例えば、ＣＯガス、水素ガス）のみならず、高炉内での反応（例えばコークス、微粉炭等との反応または分解等）によって還元ガスを生成可能な成分（例えば、ＣＯ_２ガス、炭化水素ガス等）も含む。

さらに、本実施形態では、還元ガス中の炭素原子と水素原子とのモル比Ｃ／Ｈは０．１５以上とされる。この場合に、図１に示すような△Ｃ−還元ガス相関が得られるからである。Ｃ／Ｈが０．１５未満となる場合、水素ガスによるＩｎｐｕｔ Ｃの削減効果が大きく、図１に示すような△Ｃ−還元ガス相関が得られない可能性がある。Ｃ／Ｈの上限値は特に制限されないが、例えば０．３以下であってもよい。

Ｃ／Ｈが０．１５以上となる還元ガスの例として、ＣＯＧ、天然ガス、及び都市ガス等が挙げられる。点Ｐ２のデータを得る際に使用したＣＯＧの組成を表１に示し、点Ｐ３のデータを得る際に使用した天然ガスの組成を表２に示す。表１、２における各成分の数値はモル比（より詳細には、モル濃度（ｍｏｌ／Ｌ）の比）である。ただし、Ｃは還元ガス中の炭素割合（ｋｇ／Ｎｍ^３）を示す。以下の表１に示す組成を有するＣＯＧのＣ／Ｈは０．１８５となる。計算例は以下の通りである。
（０．０６５＋０．０２５＋０．２９２＋０．０２×２＋０．００８×２）／（０．５３５×２＋０．２９２×４＋０．０２×４＋０．００８×６）＝０．１８５

また、以下の表２に示す組成を有する天然ガスのＣ／Ｈは０．２７１となる。計算例は以下の通りである。
（０．８５＋０．０３×２＋０．１２×２）／（０．８５×４＋０．０３×４＋０．１２×６）＝０．２７１

図１に示す△Ｃ−還元ガス相関は、例えば高炉操業シミュレーションを行うことで作製される。高炉操業シミュレーションの概要は以下のとおりである。すなわち、還元ガスの種類及び吹込み量（溶銑１トンあたりの吹込み量）が異なる様々なケースで高炉操業シミュレーションを行う。このケースにはベース操業も含まれる。ここで、ケース間で羽口前温度及び溶銑温度が極力一定となるように、操業条件（例えば、送風量及び酸素富化率、並びに、コークス比または微粉炭比）を調整する。これにより、ケース毎にＩｎｐｕｔ △Ｃ及び還元ガス中の炭素原単位を求める。ついで、各ケースのＩｎｐｕｔ △Ｃ及び還元ガス中の炭素原単位を示す点を図１に示すｘｙ平面にプロットする。点Ｐ１〜Ｐ３はプロットされた点の一例である。そして、各プロットの近似曲線を最小二乗法等の近似法によって求める。この近似曲線が△Ｃ−還元ガス相関を示すグラフＬ１となる。なお、図１の例では、グラフＬ１はｙ＝−０．００１４ｘ^２＋０．１９４ｘという数式で示される。ｘは還元ガス中の炭素原単位であり、ｙはＩｎｐｕｔ △Ｃである。もちろん、グラフＬ１はこの数式で示されるものに限られない。

図１から明らかな通り、点Ｐ１〜Ｐ３は概ね同一のグラフＬ１上に乗っている。したがって、還元ガスの種類によらず、還元ガス中の炭素原単位が求まればＩｎｐｕｔ △Ｃが一意に特定される。すなわち、Ｉｎｐｕｔ △Ｃと還元ガス中の炭素原単位との間には相関があり、その相関がグラフＬ１で示されることになる。

グラフＬ１によれば、Ｉｎｐｕｔ △Ｃは、還元ガス中の炭素原単位が６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以下の範囲では還元ガス中の炭素原単位と正の相関を有し、還元ガス中の炭素原単位が６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ超の範囲では還元ガス中の炭素原単位と負の相関を有する。また、Ｉｎｐｕｔ △Ｃは還元ガス中の炭素原単位が６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ程度となる場合に極大値を示す。したがって、この極大値の近辺で還元ガス中の炭素原単位の設定値を規定すれば、還元材比をより低減することができる。

より具体的には、還元ガス中の炭素原単位が２１〜１０７ｋｇ／ｔ−ｐｉｇとなる範囲内でＩｎｐｕｔ △Ｃが４．０％以上（直線Ａ及びその上方の領域におけるＩｎｐｕｔ △Ｃ）となる。この場合、例えばベース操業の還元材比を３７５〜５００ｋｇ／ｔ−ｐｉｇとすると、還元材比が概ね１５〜２０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上削減される。この削減量は、日々の還元材比の変動を考慮しても有意な値であり、還元材比の削減の実効性が期待できる。したがって、還元ガス中の炭素原単位は２１〜１０７ｋｇ／ｔ−ｐｉｇであることが好ましい。

ここで、還元ガス中の炭素原単位が６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ程度となる場合に極大値を示し、６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇを超えるとＩｎｐｕｔ △Ｃが減少に転じる。つまり、Ｉｎｐｕｔ Ｃの削減効果が目減りする。この理由として、還元ガス中の炭素原単位が炉内還元に必要な量と比べて過剰供給になっており、ガス利用率が低下する点、還元ガス中の炭素原単位の増加に伴い還元ガス吹込み量も増加するが、羽口前温度一定条件だと還元ガス吹込み量の増加に伴い酸素富化率が増加し、熱風炉経由で高炉へ吹き込むガス量が低下して送風顕熱が低下する点、等が考えられる。したがって、還元ガス中の炭素原単位は６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以下、すなわち２１〜６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇである（領域Ｂ内の値である）ことがより好ましい。この場合、より少ない還元ガスの吹込み量でＩｎｐｕｔ △Ｃを大きく（具体的には４．０％以上と）することができる。

また、還元ガス中の炭素割合（ｋｇ／Ｎｍ^３）が少ない還元ガス（特に炭素割合が０．６ｋｇ／Ｎｍ^３未満となる還元ガス）を使用する場合、操業上の制約等の理由により、還元ガス中の炭素原単位を６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以下にすることが好ましい場合がある。以下、その理由について詳細に説明する。

高炉操業においては、羽口前温度をなるべく所定値以上（ここで、所定値は様々な要因で変動しうるが、概ね２１００℃前後の値となることが多い）の一定値に維持する必要がある。羽口前温度が所定値未満となると、微粉炭の燃焼性が低下し、未燃チャーが発生することで炉内通気を阻害する、還元材として投入した微粉炭の一部しか（炉内で発生する）還元ガスとして利用できない、等の問題が生じるためである。羽口から吹き込まれる還元ガス中の炭素割合（ｋｇ／Ｎｍ^３）が少ない場合、還元ガス中の炭素原単位（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）を６５ｋｇ／Ｎｍ^３より大きな値にするためには、多量の還元ガスを吹き込む必要がある。この結果、熱風の酸素富化率を上げる必要が生じる。酸素富化率を高めないと、羽口前温度を所定値以上に維持できなくなる可能性があるからである。ただし、酸素富化率を高めていくと熱風中の酸素割合が上昇し、やがて純酸素送風を行うことになる。このときの酸素富化率が上限となり、酸素富化率をこれ以上高めることはできない。

例えば、表１に示す組成のＣＯＧを使用して還元ガス中の炭素原単位を８３ｋｇ／ｔ−ｐｉｇとする場合、ＣＯＧを３５０Ｎｍ^３／ｔ−ｐｉｇで吹き込む必要がある。この場合、酸素富化率を上限に近い値に高めることで、羽口前温度を所定値以上に維持することができる。しかしながら、羽口前温度は所定値に極めて近く、操業諸元の設計を慎重に行う必要があり、かつ、操業中の監視を慎重に行う必要がある。したがって、操業としては可能ではあるが、操業に手間を要する。さらに、還元ガス中の炭素原単位を９５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇとする場合、ＣＯＧを４００Ｎｍ^３／ｔ−ｐｉｇで吹き込む必要がある。この場合、純酸素送風を行っても羽口前温度を所定値以上にすることができない可能性がある。還元ガス中の炭素原単位が６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以下であれば、ＣＯＧの吹込み量を３５０Ｎｍ^３／ｔ−ｐｉｇよりもさらに低くすることができるので、酸素富化率及び羽口前温度に余裕をもたせることができる。したがって、還元ガス中の炭素割合（ｋｇ／Ｎｍ^３）が少ない還元ガス（特に炭素割合が０．６ｋｇ／Ｎｍ^３未満となる還元ガス）を使用する場合、還元ガス中の炭素原単位を６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以下にすることが好ましい。

一方で、表２に示す天然ガス（炭素割合が０．６ｋｇ／Ｎｍ^３以上）を使用する場合、上記のような制限は基本的に生じない。例えば、還元ガス中の炭素原単位を６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇよりも遥かに大きい１００ｋｇ／ｔ−ｐｉｇとする場合であっても、還元ガスの吹込み量は１７０Ｎｍ^３／ｔ−ｐｉｇ程度で済む。この場合、羽口前温度の低下はやはり懸念されるものの、酸素富化率を高めることで羽口前温度を所定値以上とすることができる。したがって、還元ガス中の炭素原単位を６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇよりも大きくすることができる。

以上述べた理由により、点Ｐ２は６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以下の範囲でプロットされているが、点Ｐ３はより広い範囲でプロットされている。

なお、グラフＬ１は後述する実施例の操業条件で求められたものである。操業条件が変われば△Ｃ−還元ガス相関はグラフＬ１から多少変動する場合がありうる。ただし、このような場合でも、還元ガス中の炭素原単位の好ましい範囲に有意な変動はほとんどないと考えられる。なお、後述する実施例では、高炉操業シミュレーションを行うことで△Ｃ−還元ガス相関を作製したが、△Ｃ−還元ガス相関を作製する方法はこれに限定されない。実炉における操業（実操業・試験操業を含む）や試験高炉における試験操業においても同様に、還元ガス中の炭素原単位を変更しつつ、Ｉｎｐｕｔ △Ｃを算出することにより、△Ｃ−還元ガス相関を求めることができる。

＜２．還元ガスの吹込み量決定方法＞
つぎに、上述した△Ｃ−還元ガス相関を用いた還元ガスの吹込み量決定方法について説明する。まず、上述した△Ｃ−還元ガス相関に基づいて還元ガス中の炭素原単位の設定値を規定する。ここで、設定値は２１〜１０７ｋｇ／ｔ−ｐｉｇの範囲内の値であることが好ましく、２１〜６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇの範囲内の値であることがより好ましい。その理由は上述した通りである。すなわち、設定値を２１〜１０７ｋｇ／ｔ−ｐｉｇの範囲内の値とすることで、Ｉｎｐｕｔ △Ｃを４．０％以上の値とすることができる。さらに、設定値を２１〜６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇの範囲内の値とすることで、より少ない還元ガスの吹込み量でＩｎｐｕｔ △Ｃを大きく（具体的には４．０％以上と）することができる。さらに、還元ガス中の炭素割合が少ない（特に炭素割合が０．６ｋｇ／Ｎｍ^３未満となる）場合であっても、Ｉｎｐｕｔ △Ｃを大きくしつつ、羽口前温度を所定値以上に安定して維持することができる。

なお、設定値が６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇより大きくなる場合、上述したように、羽口前温度が低下する傾向があるので、羽口前温度が所定値以上になるように酸素富化率を含む操業諸元を調整することが好ましい。また、この設定値の範囲ではＩｎｐｕｔ △Ｃが低下するため、還元ガス中の炭素原単位が炉内還元に必要な量と比べて過剰供給になっており、ガス利用率が低下している。このため、ガス利用率が改善されるような方策、例えば鉄系原料を被還元性の優れたものに変える等を行ってもよい。

ついで、当該設定値と還元ガス中の炭素割合とに基づいて、還元ガスの高炉への吹込み量を決定する。すなわち、当該設定値を還元ガス中の炭素割合で除算することにより、還元ガスの高炉への吹込み量を決定する。

＜３．高炉の操業方法＞
つぎに、本実施形態における高炉の操業方法について説明する。本実施形態における高炉の操業方法では、上述した方法により決定された吹込み量の還元ガスを高炉に吹き込む。それ以外の操業条件は従来の操業条件と同様であってもよく、高炉操業シミュレーション等により算出された操業条件であってもよい。

概略的には、高炉の炉頂から鉄系原料及びコークスを高炉内に交互かつ層状に装入する一方で、高炉に設けられた羽口から熱風とともに還元ガスを高炉内に吹き込む。鉄系原料及びコークスの種類は特に制限されず、従来の高炉操業に使用される鉄系原料及びコークスであれば本実施形態でも好適に使用可能である。還元ガスの特性は上述したとおりである。本実施形態では、還元ガスのＣ／Ｈは０．１５以上とされる。還元ガスは、例えばＣＯＧ、天然ガス、及び都市ガスからなる群から選択される何れか１種以上であってもよい。なお、複数種類の還元ガスを混合して高炉に吹き込む場合、混合後の還元ガスのＣ／Ｈが０．１５である必要があり、△Ｃ−還元ガス相関は混合後の還元ガスについて吹込み量（溶銑１トンあたりの吹込み量）を変更して求めることができる。

還元ガスは非加熱で高炉内に吹き込んでもよいが、加熱してから高炉内に吹き込むことが好ましい。還元ガスを加熱してから高炉内に吹き込むことで、還元材比のさらなる低下が期待できる。加熱温度は好ましくは３００〜３５０℃程度である。

還元ガスを高炉内に吹き込むための羽口（以下、「還元ガス用羽口」とも称する）は、例えばボッシュ部に設けられる。還元ガス用羽口はシャフト部に設けられてもよい。シャフト部及びボッシュ部の両方に還元ガス用羽口を設けても良い。なお、シャフト部から吹き込まれる還元ガスは、ＣＯ及び／またはＨ_２を多く含むことが好ましく、Ｃ／Ｈを管理しつつ吹き込まれる。

従来の高炉操業と同様に、高炉内には熱風が吹き込まれる。熱風の温度、組成及び吹込み量は従来の高炉操業と同様であればよい。例えば、熱風は空気を含み、湿分及び富化酸素をさらに含んでいても良い。熱風は、例えばボッシュ部に設けられた羽口から高炉内に吹き込まれる。熱風を高炉内に吹き込むための羽口は還元ガス用羽口と共通であってもよいし、別であってもよい。

以上により、本実施形態によれば、△Ｃ−還元ガス相関に基づいて還元ガス中の炭素原単位の設定値を規定し、設定値に基づいて還元ガスの吹込み量を決定する。したがって、所望のＩｎｐｕｔ △Ｃを比較的確実に実現することができる。つまり、所望の還元材比削減効果を得ることができ、ひいては、より確実に還元材比を低減することができる。これにより、ＣＯ_２の排出量を低減することができる。さらに、この△Ｃ−還元ガス相関によれば、Ｉｎｐｕｔ △Ｃは還元ガス中の炭素原単位が６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ程度となる場合に極大値を示す。したがって、この極大値の近辺で還元ガス中の炭素原単位の設定値を設定すれば、還元材比をより低減することができる。さらに、上記相関を求めておけば、その後は還元ガスの種類によらず上記相関に基づいて還元ガスの吹込み量を決定、管理することができる。したがって、Ｉｎｐｕｔ △Ｃを高めるために必要な操業諸元を適切に設計、管理することができる。

次に、本実施形態の実施例について説明する。本実施例では、高炉操業シミュレーションを行うことで、上述した△Ｃ−還元ガス相関が存在することを確認した。

高炉操業シミュレーションには、Ｋｏｕｊｉ ＴＡＫＡＴＡＮＩ、Ｔａｋａｎｏｂｕ ＩＮＡＤＡ、Ｙｕｔａｋａ ＵＪＩＳＡＷＡ、「Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ Ｂｌａｓｔ Ｆｕｒｎａｃｅ」、ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｖｏｌ．３９（１９９９）、Ｎｏ．１、ｐ．１５−２２などに示される、所謂「高炉数学モデル」を用いた。この高炉数学モデルは、概略的には、高炉の内部領域を高さ方向、径方向、周方向に分割することで複数のメッシュ（小領域）を規定し、各メッシュの挙動をシミュレーションするものである。計算条件を表３に示す。鉄系原料はすべて焼結鉱とした。また、焼結鉱の組成はＴ−Ｆｅ：５８．５％、ＦｅＯ：７．５％、Ｃ／Ｓ：１．９、Ａｌ_２Ｏ_３：１．７％とした。また、コークスについては、Ｃ：８７．２％、Ａｓｈ：１２．６％を使用する場合を想定した（％はいずれも質量％を表す）。

本実施例では、還元ガスの種類（すなわち、Ｃ／Ｈの値）及び還元ガスの吹込み量（溶銑１トンあたりの吹込み量）を変更して高炉操業シミュレーションを行い、上述した△Ｃ−還元ガス相関が存在することを確認した。還元ガスは表１に示す組成のＣＯＧまたは表２に示す組成の天然ガスを使用した。還元ガスはボッシュ部に設けられる羽口から高炉内に吹き込むこととした。還元ガス吹込み時における羽口前燃焼温度が極力一定になるよう（すなわち表３に示す範囲内の値になるよう）、送風量、酸素富化率を調整した。さらに、溶銑温度が全Ｃａｓｅで一定になるようコークス比を調整した。微粉炭比は１１５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇで、送風温度は１０００℃でそれぞれ固定条件とした。計算結果を表４及び図１に示す。

表４及び図１から明らかな通り、△Ｃ−還元ガス相関が存在することが確認できた。この相関を用いて還元ガス中の炭素原単位の設定値を規定し、この設定値に基づいて還元ガスの吹込み量を決定すれば、より確実に還元材比を低減することができ、ひいてはＣＯ_２排出量を低減することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

Claims (5)

1. 炭素原子と水素原子とのモル比Ｃ／Ｈが０．１５以上である還元ガスの高炉への吹込み量を決定する還元ガスの吹込み量決定方法であって、
   前記還元ガスの前記高炉への吹き込みによる炭素消費原単位の削減量Ｉｎｐｕｔ △Ｃと前記還元ガスにより前記高炉に持ち込まれる炭素の原単位との相関に基づいて、前記炭素の原単位の設定値を規定し、
   前記設定値と前記還元ガス中の炭素割合とに基づいて、前記還元ガスの前記高炉への吹込み量を決定することを特徴とする、還元ガスの吹込み量決定方法。
2. 前記設定値を２１〜１０７ｋｇ／ｔ−ｐｉｇの範囲内の値とすることを特徴とする、請求項１記載の還元ガスの吹込み量決定方法。
3. 前記設定値を２１〜６５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇの範囲内の値とすることを特徴とする、請求項１または２に記載の還元ガスの吹込み量決定方法。
4. 前記還元ガスは、コークス炉ガス、天然ガス、及び都市ガス、並びにこれらの混合ガスからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の還元ガスの吹込み量決定方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に規定された還元ガスの吹込み量決定方法により決定された吹込み量の還元ガスを前記高炉に吹き込むことを特徴とする、高炉の操業方法。
   

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