JP4555666B2 - 高炉吹き込み微粉炭の燃焼促進方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉の送風用羽口から微粉炭を吹き込む技術に関し、さらに詳しくは、吹き込まれた微粉炭の燃焼を促進させる方法に関する。

近年、高炉でのコークス比を低減するために、高炉への微粉炭吹き込み操業技術が確立され、コークス比の低減に効果を上げている。そして微粉炭の吹き込み量が１５０kg／ｔ−ｐｉｇ（以下、kg／ｔと記す）を超える操業も指向されている。しかしながら、このように多量の微粉炭を吹き込む操業を安定して行うには吹き込んだ微粉炭を完全に燃焼させることが重要である。

吹き込んだ微粉炭が未燃焼のまま高炉内に存在すると、高炉下部や炉芯部に未燃焼のチャーとして蓄積され、高炉内の通気・通液性を阻害することになる。

また、微粉炭が未燃焼の状態であるということは燃焼発熱が十分でないことであり、微粉炭吹き込みの効果が減少し、コークス比の上昇を招くことになる。

通常、微粉炭の燃焼性を左右するのは、微粉炭の組成、特に揮発成分と固定炭素の含有割合であり、低揮発分石炭の燃焼効率が低いのは、高揮発分石炭に比べて燃焼性の低い固定炭素の割合が多く、燃焼性の高い揮発分が少ないためであると考えられる。

このようなことから、高炉吹き込みには比較的燃焼性の良い高揮発分石炭が適していると考えられ、専ら使用されてきた。

例えば、特許文献１には、揮発分が２３％以上、流動度指数が０．８０以下の石炭を使用し粒径3ｍｍから１００μmの微粉炭を、羽口先温度が１９００℃以上２２５０℃以下として吹き込む技術が開示されている。また、特許文献２には、微粉炭吹き込み用と酸素吹き込み用との二重構造としたランスを送風支管内に水平に設け、送風中の酸素濃度が３０ｖｏｌ％以上となるように酸素富化して吹き込む技術が、特許文献３には、微粉炭吹き込みランスに導入する酸素濃度を３５〜６５ｖｏｌ％に調整して吹き込むと共に、ランスへの富化酸素量を全送風中の酸素富化率の３ｖｏｌ％以下とする技術が開示されている。

また、特許文献４には、１５０ｋｇ／ｔ以上の微粉炭を吹き込む技術として、平均揮発分２５％以下の低揮発分炭の微粉炭吹き込む際に、同時に吹き込まれる気体中の酸素濃度を吹き込みランスの先端部近傍周辺で７０ｖｏｌ％以上とする技術が開示されている。

特許第２６７５４０３号公報 特開昭６２−２６３９０６号公報 特許第２９９４１４１号公報 特開２００３―２８６５１１号公報

一般に石炭を燃焼面から見ると、その揮発分の含有率が高いほど燃焼性が良く，品質的に優れているといえる。このため揮発分の含有率が高い石炭ほど価格が高く、逆にいえば揮発分の含有率が低い石炭ほど低品位であり，安価に入手できるので石炭のコストを低減できる利点はある。

このような状況において、吹き込み用の微粉炭としては、前述のように，通常、揮発分の含有量が比較的高い（３０質量％以上）高揮発分の石炭が多用されてきた。

特許文献１に記載された技術のように、特定の高揮発分石炭の微粉炭のみしか吹き込めない場合には、石炭資源全体から見た場合に好ましくなく、高揮発分、低揮発分に関係なくできるだけ幅広い銘柄，種類の石炭を使用できることがエネルギーの安定供給や価格の安定化の面からも好ましい。

このような観点から、従来高炉吹き込み用石炭としては注目されなかった低揮発分石炭を高炉吹き込み用石炭として使用することが検討されている。しかしながら、その燃焼性が劣る点をいかに補い、燃焼効率を上げるかが課題となっている。

このような低揮発分石炭の微粉炭の燃焼効率を向上させるために、特許文献２〜４に示されるように、ランスから微粉炭と共に吹き込むガス中の酸素濃度を大幅に向上させる技術が開示されているが、ランスを二重構造とすること、ランスの溶損防止のために水冷構造を強化することなど特別な装置が必要となる。

本発明は、このような特別な装置を必要とせず、微粉炭として吹き込まれた石炭の燃焼性を向上させる方法を提供することを課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。

（１）高炉に吹き込む微粉炭に、平均粒径が２５μｍ以下である酸化鉄粉体を、微粉炭に対して質量比で、０．２〜１５％となるように、混合し、混合した粉体をランスから高炉に吹き込むことを特徴とする高炉吹き込み微粉炭の燃焼促進方法。

本発明によれば、微粉炭を、酸化鉄粉体と混合して吹き込むことにより、その燃焼効率を向上させることができ、高揮発分石炭に限らず、従来、使用が困難とされていた低揮発分石炭も高炉吹き込み用微粉炭として使用可能となる。

また、本発明方法では、特別な装置を使用することなく、微粉炭の燃焼効率を向上させることができるので、極めて経済的な操業が可能となる。

発明者らは、図３に示したような装置を用いて、吹き込んだ微粉炭の燃焼性について多くの実験を行い、燃焼挙動を測定した。その結果、微粉炭に酸化鉄粉体を少量混合し、これを吹き込んで燃焼させたところ、微粉炭の燃焼効率が酸化鉄粉体を混合しないものに比べて、いずれも向上することを知見した。なお、酸化鉄とは、Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeOを含むものとする。

酸化鉄の粉体は、以下に説明するように、微粉炭の燃焼を促進する作用があり、燃焼効率を向上させる効果があると考えられる。

空気と共に高炉の羽口から吹き込まれた微粉炭は、羽口前において高温の炭素が多量に存在するため、最終的には（１）式で示される反応により燃焼する。
すなわち、（２）式で燃焼したＣＯ₂が（３）式でＣと反応してＣＯとなる。
２Ｃ＋Ｏ₂＝２ＣＯ （１）
Ｃ＋Ｏ₂＝ＣＯ₂ （２）
Ｃ＋ＣＯ₂＝２ＣＯ （３）

酸化鉄の粉体が微粉炭の燃焼を促進する理由の一つとして、上記（１）〜（３）の反応を促進する触媒として酸化鉄が作用することによるものと考えられるが、酸化鉄が上記（１）〜（３）のどの反応段階において触媒として作用するのかは明確となってはいない。

また、酸化鉄の粉体が微粉炭の燃焼を促進するもう一つの理由として、酸化鉄は、（４）式のように、炭素と反応してＣＯを発生させ、これによって炭素の消費を促進する作用があることによるものと考えられる。
ＦｅＯｘ＋ＸＣ＝Ｆｅ＋ＸＣＯ （４）
但し、Ｘは係数を示す。

（４）式のように酸化鉄中の酸素による微粉炭中の炭素の消費は、酸素ガスに比べて遅い反応ではあるものの、羽口から吹き込んだ空気中の酸素ガスがなくなったレースウエイ奥や炉芯領域においても進行する反応である。このため、従来なら炭素が未燃焼で存在するレースウエイ奥や炉芯領域においても、炭素の消費を進行させる反応を促進することができる。つまり、本発明において、高炉の羽口から微粉炭と混合して吹き込まれる酸化鉄粉体は、遅効性の酸素キャリアとして作用するといえる。

また、Ｆｅ₂Ｏ₃は、（５）式のように、高炉の羽口前の高温領域では酸素とＦｅ₃Ｏ₄とに乖離するが、このときに放出される酸素は極めて活性であり、炭素と容易に反応し、燃焼を促進する。
３Ｆｅ₂Ｏ₃＝２Ｆｅ₃Ｏ₄＋Ｏ （５）

したがって、羽口から吹き込んだ空気中の酸素ガスが多量に存在する羽口前の領域においては、酸化鉄は直接の作用はせず加熱昇温されながら分解・還元の準備を行い、酸素ガスが無くなり従来なら燃焼が進行し得ない領域において酸化鉄が微粉炭炭素の消費に作用するため、総合的な微粉炭の燃焼効率を上げる効果がある。

このような微粉炭の燃焼に対する酸化鉄の促進効果をさらに明確にするために、発明者らは上記の図３に示したような実験装置を用いて、具体的な条件を調査した。

実験装置は、内径が１００ｍｍ、微粉炭が燃焼する有効炉長が８００ｍｍの竪型円筒燃焼炉１であり、炉の一端に設けられたプラズマアークヒーター２により加熱された熱風が炉内に供給される。なお、竪型円筒燃焼炉１内には耐火被覆（ジルコニア：ＺｒＯ₂）５が施されている。炉内の斜め上方に挿入されたステンレス製ランス３の先端から、微粉炭と酸化鉄粉体とを混合した混合粉体が吹き込まれ、この混合粉体は炉内で熱風と混合されて燃焼する。炉内に吹き込まれた微粉炭の熱分解，燃焼挙動を逐次測定するために、吹き込み位置から吹き込み方向に、５０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍ、５００ｍｍ、６００ｍｍ、７００ｍｍ、８００ｍｍのそれぞれの位置の全９箇所に採取孔４を設けている。

各採取孔より燃焼ガス中の石炭粒子を採取し、微粉炭の燃焼効率ηを求めた。
但し、η＝１−（１００／燃焼後石炭中灰分（質量％）−１）／（１００／燃焼前石炭灰分（質量％）−１）

まず、酸化鉄粉体として、Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeOの3種類の酸化鉄粒子を平均粒径レベルを変えて使用し、微粉炭との混合粉体として炉内に吹き込み、燃焼効率に対する酸化鉄粒子粒径の影響を調べた。なお、微粉炭への酸化鉄粒子の混合割合は、微粉炭の質量の５〜１０％とした。図１にその結果を示す。

図１から判るように、酸化鉄の平均粒径が２５μｍ以下では、燃焼効率が８０％以上と極めて良好であり、燃焼率向上の効果が顕著である。しかしながら平均粒径が２５μｍを超えると、燃焼率の向上効果は低下する。このように、酸化鉄粒子の平均粒径は、微粉炭の燃焼反応性に大きく依存することが判る。従って、混合する酸化鉄粒子の平均粒径は２５μｍ以下とすることが好ましい。

なお、図１から判るように、酸化鉄の形態としてFe₂O₃、Fe₃O₄、FeOの間では燃焼率向上効果に顕著な差異は認められず、したがって、酸化鉄の形態はいかなる形態でもよく、特に限定するものではない。

次に、平均粒径が２５μｍ以下のFe₂O₃を主成分とする酸化鉄を使用し、微粉炭に対する酸化鉄の混合量を変えて混合粉体を調整し、この混合粉体を炉内に吹き込み、燃焼効率に対する酸化鉄の混合量の影響について調査した。図２にその結果を示す。

図２から判るように、酸化鉄が混合されると微粉炭の燃焼効率は向上するが、混合量が多すぎると燃焼促進効果が損なわれ、燃焼効率はかえって低下する。
また、少なすぎると促進効果が不足し、燃焼率が十分に向上しない。

これは、例えば、（４）式の反応が吸熱反応であるため、多量に添加すると、微粉炭燃焼の場の温度を低下させる影響が現れ、燃焼効率が低下するためと考えられる。このことは、微粉炭と酸化鉄をそれぞれ別のランスから吹き込む実験においても、一定量を超えて酸化鉄を吹き込むと燃焼効率が向上しないという結果が確認されている。

従って、酸化鉄の混合量は、微粉炭の質量に対して０．２〜１５％とすることが好ましい。この混合量においては、微粉炭の燃焼効率が８０％を超えており、微粉炭が大量に吹き込まれた場合でも十分な燃焼を得ることができる。

本発明において、酸化鉄粉体は、上述の通り、Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeOを単独或いは複合して含有するものであればよく、酸化鉄としての所定の量を混合し得れば他の不純物が混在してもよい。また、酸化鉄粉体の粒径は、２５μm以下であることが好ましい。

従って、酸化鉄粉体として、鉄鋼製造工程の高炉や転炉などにおいて生じる集塵ダストや、酸洗スラジなどを利用できる。鉄鉱石などの集塵ダストなども好適である。これらの原料は、必要に応じて、さらに粉砕或いは分別して、好ましい粒度に調整しても良い。

酸化鉄粉体は、微粉炭と予め混合し、混合粉体とした上でランスから羽口に吹き込むことが好ましく、このためには例えば、微粉炭を調整する石炭の粉砕装置に酸化鉄を供給して、粉砕、混合し、混合粉体として貯槽においても良いし、微粉炭と酸化鉄の貯槽をそれぞれ設け、各貯槽から所要量を切り出して混合し、混合粉体として貯槽においても良く、いづれの場合も、混合粉体貯槽から、ランスに供給して吹き込むことができる。

なお、微粉炭と酸化鉄を別々のランスから羽口に吹き込み、炉内の羽口近傍で混合粉体とすることも可能である。

内容積が３２７３ｍ³の高炉に本発明を適用した。酸化鉄は２５μｍ以下の酸化鉄粉を用い、所定の比率で微粉炭粉砕機に供給して混合し、混合粉体として羽口ランスから高炉炉内に吹き込んだ。

休風から休風までの約１月間をベース操業期間として酸化鉄混合せず、微粉炭のみを吹き込む通常の操業を行い、炉下部通気抵抗指数を調査すると共に、休風時に炉心温度を測定した。送風再開後、次の休風までの約１月間を試験操業期間として、酸化鉄を混合した微粉炭を吹き込む操業を行い、炉下部通気抵抗指数を調査すると共に、休風時に炉芯温度を測定した。

上記のベース操業期間と試験操業期間との組み合わせを１ケースとし，このケースを９回繰り返した。各ケースにおける微粉炭の原単位（kg/t）、酸化鉄の混合割合（質量％）、ベース操業期間と試験操業期間とでの通気抵抗指数の変化および炉芯温度の変化を表１に示す。

表１から判るように、本発明の適用した試験操業期間は、ベース操業期間に比べて、炉下部通気抵抗指数が全てのケースで低下し、また、休風時に測定された炉芯温度は、全てのケースで上昇していることが判る。これらの結果から、微粉炭の燃焼効率が大きく向上し、未燃焼のチャーの発生が抑制されたことが確認された。

微粉炭の燃焼効率に対する酸化鉄の平均粒径の影響を示す図である。 微粉炭の燃焼効率に対する酸化鉄の混合割合（質量比）の影響を示す図である。 微粉炭の燃焼効率を調査するための実験装置の構成を示す概要図である。

符号の説明

１…竪型円筒燃焼炉
２…プラズマアークヒーター
３…ランス（ステンレス製）
４…採取孔
５…耐火被覆（ジルコニア）

Claims (1)

1. 高炉に吹き込む微粉炭に、平均粒径が２５μｍ以下である酸化鉄粉体を、微粉炭に対して質量比で、０．２〜１５％となるように、混合し、混合した粉体をランスから高炉に吹き込むことを特徴とする高炉吹き込み微粉炭の燃焼促進方法。

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