JP4702309B2

JP4702309B2 - 高炉の操業方法

Info

Publication number: JP4702309B2
Application number: JP2007058124A
Authority: JP
Inventors: 道貴佐藤; 泰平野内
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2027-03-08
Also published as: JP2008214735A

Description

本発明は、安定した低還元材比操業を実施するための高炉の操業方法に関する。

近年、地球環境問題を背景として、製鉄所においても炭酸ガス（ＣＯ₂）発生抑制が強く要求されている。これを受け、最近の高炉操業では低還元材比（低ＲＡＲ）操業が強力に推進されている。しかしながら、ＲＡＲ（Reduction Agent Ratio：銑鉄１ｔ製造当たりの、微粉炭、廃プラ、ＬＮＧ、重油などの吹き込み燃料と炉頂から装入されるコークスの合計量）が低下すると、原理的に送風量が低下し、この結果、シャフト上部においては装入物の昇温が遅れ、順調な還元が達成されなくなるばかりか、亜鉛化合物などの壁付きが助長され風圧変動や荷下がり異常などの炉況不調を招くことが懸念されている。また炉頂温度が低下して１００℃を割り込むような場合には、排ガス中の水分が配管内に凝縮する問題が生じる。

通常の高炉操業において、上記のような各種炉況不調、特に炉上部の昇温不良を回避するには、
（ａ）酸素富化率を下げ、ガス量を増す（熱流比を下げ、ガス温度を上昇させる）
（ｂ）微粉炭など燃料吹き込み量を増す（熱流比を下げ、ガス温度を上昇させる）
（ｃ）還元効率（シャフト効率）を下げ、還元材比を高くする
などの対策がとられるのが通例である。しかしながら、上記（ａ）の対策は生産量低下に繋がるため望ましくない。上記（ｂ）は吹き込み能力の余裕代に依存するが、能力限界近くで操業している製鉄所では、その増加量に制約がある。また燃料吹き込み量を増した場合には、ボッシュガス量が増え生産量を低下させるため、酸素富化を同時に実施する必要がある。しかし、使用できる酸素量にも供給能力上の制限がある。上記（ｃ）はわざわざ効率を下げた操業を指向することで、ＣＯ₂削減に関する本来の目的に逆行する。

一方、純酸素送風を前提とした酸素高炉プロセスにおいては、原理的に高炉内を通過するガス量が少なくなるため、本質的に炉上部の昇温が困難なプロセスである。この炉上部温度を上昇させる方法としては、炉頂ガスを一部循環させてシャフト上部へ吹き込む方法（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）を用いることができる。
特開昭６２−２７５０9号公報大野ら著「鉄と鋼」日本鉄鋼協会７５（１９８９年）、ｐ．１２７８

上記のように、低ＲＡＲ操業を行なう場合は、通常の操業範囲内での操業条件の変更で各種炉況不調、特に炉上部の昇温不良を回避することは困難である。

一方で、純酸素送風を前提とした酸素高炉プロセスにおいては、高炉内を通過するガス量は高々８００〜９００ｍ³（標準状態：以下単にＮｍ³と記載する。）／ｔと極めて少ないため、炉上部を昇温させるためのシャフト上部吹き込みガス量は３００〜４００Ｎｍ³／ｔとかなり膨大なものとなり、またガス温度も約１０００℃まで高める必要がある。このため、大型の昇圧装置、昇温装置などの付帯設備を必要とし、純酸素送風を行なう場合に炉頂ガスを一部循環させてシャフト上部へ吹き込む方法で炉上部を昇温させることは経済的でない。

したがって本発明の目的は、上述のような従来技術の課題を解決し、低ＲＡＲ操業を行なう場合であっても、炉況不調、特に炉上部の昇温不良を回避することのできる高炉の操業方法を、低コストで提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）酸素富化率が１０体積％以下の羽口熱風吹込みを行なっている高炉操業において、炉頂温度が１１０℃以下となった場合にシャフト上部から高炉内にシャフト上部吹き込みガスのガス吹き込みを行ない、排ガス中の水分が配管内に凝縮しない温度まで炉頂温度を上昇させることを特徴とする高炉の操業方法。
（２）前記シャフト上部吹き込みガスとして、酸素を含まないガスを用いることを特徴とする（１）に記載の高炉の操業方法。
（３）前記シャフト上部吹き込みガスとして、製鉄所でガスホルダーに貯蔵されている高炉発生ガス、または高炉発生ガスとコークス炉発生ガスとの混合ガスを吹き込むことを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉の操業方法。
（４）前記シャフト上部吹き込みガスとして、炉頂ガスの一部を循環させて吹き込むことを特徴とする（１）〜（３）のいずれか一つに記載の高炉の操業方法。
（５）前記炉頂ガスの替わりに、ガスホルダーから高炉発生ガス、または高炉発生ガスとコークス炉発生ガスとの混合ガスを、燃焼炉で加熱して吹き込むことを特徴とする（４）に記載の高炉の操業方法。
（６）前記炉頂ガスに加えて、ガスホルダーから高炉発生ガス、または高炉発生ガスとコークス炉発生ガスとの混合ガスを、燃焼炉で加熱して吹込むことを特徴とする（４）に記載の高炉の操業方法。
（７）前記シャフト上部吹き込みガスを脱炭酸後に吹き込むことを特徴とする（１）〜（６）のいずれか一つに記載の高炉の操業方法。
（８）ガスクリーニング装置によりダストや水分を除去した炉頂ガスの一部について、脱炭酸装置で脱炭酸を行ないＣＯ₂を除去し、燃焼炉で酸素を加えてその一部を燃焼させることで加熱して、シャフト部上部から前記シャフト上部吹き込みガスとして高炉に吹込むことを特徴とする（１）〜（７）のいずれか一つに記載の高炉の操業方法。
（９）前記シャフト上部吹き込みガスを５００℃以上に加熱して吹き込むことを特徴とする（１）〜（８）のいずれか一つに記載の高炉の操業方法。
（１０）前記シャフト上部吹き込みガスの吹き込みにより、炉頂ガス温度を４０℃以上上昇させることを特徴とする（１）〜（９）のいずれか一つに記載の高炉の操業方法。
（１１）前記高炉操業において、炉頂ガス量の１０体積％以下の量のガスをシャフト上部吹き込みガスとして高炉内に吹き込むことを特徴とする（９）または（１０）に記載の高炉の操業方法。
（１２）前記シャフト上部吹き込みガスを吹き込む高炉シャフト上部は、高炉本体の高さの上部１／３以内の領域であることを特徴とする（１）〜（１１）のいずれか一つに記載の高炉の操業方法。
（１３）前記シャフト上部吹き込みガスを吹き込む高炉シャフト上部は、装入面の下方１０ｍ以内の領域であることを特徴とする（１）〜（１２）のいずれか一つに記載の高炉の操業方法。

本発明によれば、低ＲＡＲ操業時の装入物の昇温不良、あるいは炉頂温度低下時の水分凝縮等のトラブルに対してフレキシブルに対応でき、低ＲＡＲ操業を安定的に継続して行なうことができる。また、脱炭酸技術を組み合わせることで製鉄所から発生するＣＯ₂量を大きく削減でき、地球環境保全に貢献できる。

本発明の一実施形態を図１に示す。

図１は、高炉およびその周辺設備の概略図である。本発明においては炉上部を昇温させるためにシャフト上部から高炉内にガス吹込みを行うこととし、そのために高炉の羽口送風の酸素富化率が１０体積％以下での操業を前提とする。前述したように、酸素富化率が増加するに従い、高炉内を通過するガス量が減り、シャフト上部を昇温するために必要なシャフト上部吹き込みガス（以下、「シャフトガス」と記載する。）量が大幅に増加するためである。このような低酸素富化率での条件下で操業を行ない、炉頂温度が１１０℃以下となった場合に、炉頂ガス温度を上昇させ得る量のシャフトガスをシャフト上部から吹き込むことで、炉頂温度を上昇させる。なお、シャフト部とは高炉の上部から下方にかけて下広がりになった部分である。

図１において、高炉１は羽口２から熱風ａを吹込む操業を行なっている。溶銑温度（ＨＭＴ）は約１５００℃である。熱風ａの酸素富化率は１０体積％以下であり、熱風ａとともに微粉炭やＬＮＧ等ｂの吹き込みも行なっている。炉頂ガスｃの温度をモニターし、炉頂温度の低下を検知する。炉頂温度が１１０℃以下になった際には、ガスクリーニング装置３によりダストや水分ｄを除去した炉頂ガスｃの一部について、必要に応じて脱炭酸装置４で脱炭酸を行ないＣＯ₂ｅを除去し、燃焼炉５で酸素ｆを加えてその一部を燃焼させることで加熱して、シャフト部上部からシャフトガスｈとして高炉に吹込む。炉頂ガスｃの替わりに、または炉頂ガスｃに加えて、ガスホルダー６から高炉発生ガス（Ｂガス）、または高炉発生ガスとコークス炉発生ガス（Ｃガス）との混合ガスｇを燃焼炉５で加熱して、シャフト部上部からシャフトガスとして高炉に吹込むこともできる。これにより炉頂温度を急速に上昇させることができ、操業の定常状態の炉頂温度へと回復させることができる。

シャフトガスの吹き込み量は、炉頂ガス温度を４０℃程度以上、上昇できる量であれば十分である。図２に標準的な高炉操業条件におけるシャフトガス吹き込み率（シャフトガス吹き込み量の炉頂ガス全量に対する比）と炉頂温度上昇効果の関係を示す。図２によれば、炉頂ガス温度を４０℃上昇させるために必要な条件は、シャフトガス温度が４００℃の場合、吹き込み率は約１２体積％であるが、シャフトガス温度が高温になるほど少なくて済み、例えばシャフトガス温度が１０００℃のときは約３体積％となっている。但し、シャフトガス吹き込みによる高炉内の固体温度を低下させない観点から、シャフトガス温度は５００℃以上であることが望ましい。シャフトガス温度が５００℃の場合に炉頂ガス温度を４０℃上昇させるための吹き込み率は約８体積％であり、よって、操業の変動等を考慮してもシャフトガスの吹き込み率は１０体積％以下であれば十分である。この程度の吹き込み量に限定することにより、例えば非特許文献１に記載されているように、炉頂ガスを多量に循環使用する場合に比べて、吹き込みに要する動力（昇圧）、脱炭酸に要する吸収材等の使用量、および動力を大幅に削減することができる。

シャフトガスの吹き込み位置はシャフト上部であり、高炉本体の高さのおよそ上部１／３以内の領域（炉内容積５０００ｍ³クラスの高炉では装入面から、装入面の下方約１０ｍ以内の領域）であればよい。

シャフトガスの吹き込み方法に関しては、高炉操業条件（炉上部温度上昇アクション、例えば酸素富化率、微粉炭吹き込み量など）を変更しない場合はシャフトガス吹き込みを停止すると効果が失われるため、連続吹き込みが前提となる。シャフトガス吹き込みを実施中に高炉操業条件を変更する場合は、炉上部温度上昇が見込まれた時点でシャフトガス吹き込みを停止すればよい。

シャフトガスとして、酸素を含まないガスを用いることが好ましい。酸素を含むガスを用いると、還元中の鉄酸化物（Ｆｅ₂Ｏ₃、ＦｅＯ）を再酸化させるためである。尚、酸素を含まないガスとは、Ｏ₂としての酸素ガスを含まないガスであることを意味する。

シャフトガスとして、製鉄所でガスホルダーに貯蔵されている高炉発生ガス（Ｂガス）、または高炉発生ガスとコークス炉発生ガス（Ｃガス）の混合ガスを用いることができる。高炉で発生する副生ガスであるＢガス（主成分ＣＯ、ＣＯ₂、Ｎ₂）およびコークス炉で発生する副生ガスであるＣガス（主成分水素、メタン）は製鉄所で多量に発生、または貯蔵されているので、シャフトガスとして用いることで有効利用が可能である。このＢガス、またはＢガスとＣガスとの混合ガスは、そのまま昇圧して吹き込むか、脱炭酸した後に高炉に吹き込む。脱炭酸することでＣＯ主体の高カロリーガスとなるため、燃焼炉で使用する酸素量を減らすことができる。また脱炭酸されたＣＯ₂を大気中に放散させなければ地球環境保全に貢献できる。

またはシャフトガスとして、ガスホルダーに貯蔵されている高炉発生ガス（Ｂガス）でなく、高炉発生ガス（炉頂ガス）を直接、高炉の炉頂配管から一部を分岐して、そのまま昇圧して吹き込むか、脱炭酸後に吹き込むことも好ましい。炉頂ガスには、さらにガスホルダーに貯蔵されている高炉発生ガス（Ｂガス）やコークス炉発生ガス（Ｃガス）を混合して吹込むこともできる。

シャフトガスを吹込む場合、前述の理由でシャフトガス温度は５００℃程度以上とすることが好ましいが、シャフトガスを加熱する際の加熱方式は時に限定されるものではなく、重油やＬＮＧを燃料とした間接加熱方式の燃焼炉、シャフトガスそのもの（ＢガスおよびＣガス）を酸素と混合して燃焼して昇温する直接加熱方式などを採用すればよい。

炉内容積５０００ｍ³の高炉において、通常の操業ではＬＮＧ吹き込み量を２５ｋｇ／ｔ、酸素富化率６体積％で操業を行っていた。増産要求に応えるため、ＬＮＧ吹き込み量を３０ｋｇ／ｔまで増量すると同時に酸素富化率を８体積％まで増加させたところ、炉頂温度が１３０℃から１０５℃へと急激に低下し、昇温不良に伴う通気変動が検知されるようになり、かつ配管内への水分の凝縮も問題となった。

そこで、シャフトガスの吹き込みを行うことにした。シャフトガスとしては高炉発生ガス（Ｂガス）ホルダーに貯蔵されているＢガスを用いた。このＢガス１００Ｎｍ³／ｔ相当を５Ｎｍ³／ｔ相当の酸素とともに加熱炉内で混合して混合ガスとし、Ｂガスを部分燃焼させて混合ガスの温度を約６００℃まで昇温させた。そしてこの部分燃焼混合ガスをシャフト上部（装入面から５ｍ下方位置）から吹き込んだ。この結果、炉頂温度は急速に上昇し、定常状態では１４０℃に達した。

上述の操作の結果、高炉操業の通気変動は回復し、配管内への水分の凝縮も完全に回避され、安定した操業に移行できた。

本発明の一実施形態を示す、高炉およびその周辺設備の概略図。シャフトガス吹込みによる炉頂ガス温度回復の効果を示すグラフ。

符号の説明

１高炉
２羽口
３ガスクリーニング装置
４脱炭酸装置
５燃焼炉
６ガスホルダー
ａ熱風
ｂ微粉炭やＬＮＧ等
ｃ炉頂ガス
ｄ水分
ｅＣＯ₂
ｆ酸素
ｇＢガス、またはＢガスとＣガスとの混合ガス
ｈシャフトガス

Claims

酸素富化率が１０体積％以下の羽口熱風吹込みを行なっている高炉操業において、炉頂温度が１１０℃以下となった場合にシャフト上部から高炉内にシャフト上部吹き込みガスのガス吹き込みを行ない、排ガス中の水分が配管内に凝縮しない温度まで炉頂温度を上昇させることを特徴とする高炉の操業方法。
前記シャフト上部吹き込みガスとして、酸素を含まないガスを用いることを特徴とする請求項１に記載の高炉の操業方法。
前記シャフト上部吹き込みガスとして、製鉄所でガスホルダーに貯蔵されている高炉発生ガス、または高炉発生ガスとコークス炉発生ガスとの混合ガスを吹き込むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高炉の操業方法。
前記シャフト上部吹き込みガスとして、炉頂ガスの一部を循環させて吹き込むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の高炉の操業方法。
前記炉頂ガスの替わりに、ガスホルダーから高炉発生ガス、または高炉発生ガスとコークス炉発生ガスとの混合ガスを、燃焼炉で加熱して吹き込むことを特徴とする請求項４に記載の高炉の操業方法。
前記炉頂ガスに加えて、ガスホルダーから高炉発生ガス、または高炉発生ガスとコークス炉発生ガスとの混合ガスを、燃焼炉で加熱して吹込むことを特徴とする請求項４に記載の高炉の操業方法。
前記シャフト上部吹き込みガスを脱炭酸後に吹き込むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の高炉の操業方法。
ガスクリーニング装置によりダストや水分を除去した炉頂ガスの一部について、脱炭酸装置で脱炭酸を行ないＣＯ₂を除去し、燃焼炉で酸素を加えてその一部を燃焼させることで加熱して、シャフト部上部から前記シャフト上部吹き込みガスとして高炉に吹込むことを特徴とする請求項1〜７のいずれか一つに記載の高炉の操業方法。
前記シャフト上部吹き込みガスを５００℃以上に加熱して吹き込むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の高炉の操業方法。
前記シャフト上部吹き込みガスの吹き込みにより、炉頂ガス温度を４０℃以上上昇させることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の高炉の操業方法。
前記高炉操業において、炉頂ガス量の１０体積％以下の量のガスをシャフト上部吹き込みガスとして高炉内に吹き込むことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の高炉の操業方法。
前記シャフト上部吹き込みガスを吹き込む高炉シャフト上部は、高炉本体の高さの上部１／３以内の領域であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の高炉の操業方法。
前記シャフト上部吹き込みガスを吹き込む高炉シャフト上部は、装入面の下方１０ｍ以内の領域であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の高炉の操業方法。