JP4984396B2 - 高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉羽口から補助還元材として固体還元材と気体還元材または液体還元材を吹込む高炉操業方法に関する。

銑鉄を製造する高炉において還元材として用いられるコークスは、原料として高価な強粘結炭を必要とし、またその製造設備であるコークス炉の建設、運転、補修等の費用を必要とするため、一般に高価である。このため高炉におけるコークスの使用量低減による銑鉄製造コストの削減が望まれている。
また、製銑工程におけるＣＯ_２発生を抑制して、地球環境の保全に資する観点からも高炉におけるコークスの使用量低減は急務である。

コークスの使用量を低減して製銑工程におけるＣＯ_２発生を抑制する技術として、水素を多量に含む還元材（例えば、微粉炭、合成樹脂材など）を羽口から吹き込む技術が知られている。そして、微粉炭、合成樹脂材等の固体還元材の燃焼性を高めるために、前記固体還元材に天然ガス、都市ガスなどの気体還元材を同時に吹き込む技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特公平１−２９８４７号公報

上記のように、水素を多量に含む還元材を羽口から吹き込むことによって製銑工程におけるＣＯ_２発生の削減に効果的であると考えられているが、水素を投入することが炉内現象に及ぼす他の効果として以下のものを挙げることができる。
（１）低密度、低粘度による炉内圧損の緩和を図ることができる。
（２）還元速度上昇によるシャフト効率の上昇と還元材比の低下を図ることができる。また、還元材比低減により、ボッシュガス量を低減できるので、圧損の低下を図ることができる。
（３）融着帯の鉱石の溶け落ち性改善と、これに伴う圧損の低下を図ることができる。
（４）ソルロス負荷低下によるコークス粉化軽減と炉下部充填層の粉率の低下を図り、これに伴う圧損の低下を図ることができる。
このように、水素投入には様々な理由に基づく炉内圧損の低減に対する有効性が指摘できる。

以上のように水素投入が炉内圧損の低減に有効であることから、水素を多量に含む還元材の例である微粉炭、合成樹脂材などを補助還元材として吹き込むことによって、炉内圧損を低減できるように思える。
しかしながら、微粉炭、合成樹脂材などの固体還元材は発熱量が低いことや、またアッシュ成分がレースウェイ奥へ蓄積し易いことのため、実際には吹き込み量が増すほど通気性が悪化して炉内圧損が上昇することなどによって、コークスとの置換率を１．０以上にすることは困難である。
したがって、固体還元材の吹込み量を増やすことはコークス比の削減には有効であるが、還元材比はむしろ上昇するばかりか、ＣＯ_２発生の抑制や、増産要請に対しても逆効果となる。

この点をさらに具体的に説明する。例えば、５〜７％程度の水素を含有する微粉炭を吹き込む場合、吹き込み量を増すほど水素投入量を増加させることが可能である。ここで、ボッシュガス中の還元性ガス（ＣＯ＋Ｈ_２）全体の中の水素（Ｈ_２）濃度をＨ_２／ＣＯで代表させ、これを指標とする。
微粉炭比とＨ_２/ＣＯの関係をグラフで示した図５から分かるように、微粉炭比の増加と共に、Ｈ_２/ＣＯは直線的に上昇することから、水素投入の効果として圧損の低下などの効果を発揮すると予測される。
しかしながら、実際には本指標であるＨ_２/ＣＯと、高炉炉下部通気抵抗指数Ｋ（以下、「炉下部Ｋ値」という。Ｋ=（P_blast ²-P²）/V^1.7 但し、P_blast：送風圧（ｋｇ/ｃｍ^２）、P：ボッシュ部直上の炉壁部静圧（ｋｇ/ｃｍ^２）、V：ボッシュガス量（Ｎｍ^３/ｔ））の関係をグラフで示した図６から分かるように、上記の予測に反して水素投入量増加とともにＫ値は上昇しており、通気性に対しては水素投入によって期待されるのと逆の効果が得られた。
これは微粉炭に由来するアッシュの蓄積や、未燃チャーの発生と蓄積による圧損上昇の効果が水素投入による圧損緩和の効果を上回ったためと考えられる。
従って、水素投入による上記の効果を享受するためには、固体還元材を単独で吹き込むのでは不十分であり、水素投入方法や量の最適化など、さらに一段上の技術開発が必要である。

この点、確かに特許文献１においては発熱量が高く、かつアッシュを含まない天然ガスなどの気体還元材を固体還元材と共に吹き込んでいることから、通気性悪化防止に対して一定の効果は期待できるとも思える。
しかし、特許文献１においては、気体還元材をどのような条件で吹き込めば微粉炭等の固体還元材に由来するアッシュの蓄積や、未燃チャーの発生と蓄積による圧損上昇の効果よりも水素投入による圧損緩和の効果を上回らせて上記水素投入の効果が得られるかについては何らの開示及び示唆もされていない。

したがって、本発明の課題は水素を多量に含む還元材を補助還元材として羽口から吹き込む場合において、通気性維持と還元材比低減を両立させるためには、いかなる補助還元材をどのような条件で吹き込むかということを示すことにある。
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、発熱量が高く、かつアッシュを含まない、重油や天然ガスなどの液体状またはガス状の補助還元材を固体還元材と共に吹き込む場合において、通気性が悪化することを防止しつつ水素投入の効果を最大限引き出すことのできる高炉操業方法を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため発明者らは実高炉（内容積３２２４ｍ^３のベルレス式装入装置を有する高炉）における吹き込み試験を実施して鋭意検討を重ねた。この試験は、微粉炭吹込み量を５０ｋｇ/t-p、１００ｋｇ/t-p、１５０ｋｇ/t-pの一定とした３つのケースについて、天然ガスを０〜１００ｋｇ/t-pまで２０ｋｇ/t-pずつ変化させて吹き込むことによってボッシュガス中のＨ_２/ＣＯを変化させ、炉下部Ｋ値とＨ_２/ＣＯの関係を調査するというものである。

図１はこの調査結果をグラフに示したものであり、縦軸は炉下部Ｋ値を、横軸はＨ_２/ＣＯをそれぞれ示している。
図１に示されるように、微粉炭吹き込み量によらず、天然ガス吹込みによってボッシュガス中のＨ_２/ＣＯを０．２２以上とすれば、明らかに炉下部Ｋ値が減少に転じている。これらはアッシュを含まない還元材由来の水素投入によって、前述した水素投入の効果が享受できた結果と判断される。

なお、上記の実験では固体還元材と共に吹き込む気体還元材として天然ガスを例に挙げているが、上記効果を得るには発熱量が高く、かつアッシュを含まない水素を多量に含む気体又は液体還元材であればよい。

一般に、気体還元材または液体還元材としては以下に示されるものがある。
メタン（ＣＨ_４、Ｈ/Ｃ（平均的な組成中の水素と炭素のモル比）＝４.０）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６、Ｈ/Ｃ＝３.０）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８、Ｈ/Ｃ＝２.７）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０、Ｈ/Ｃ＝２．５）、ペンタン（Ｃ_５Ｈ_１２、Ｈ/Ｃ＝２．４）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４、Ｈ/Ｃ＝２.０）、プロピレン（Ｃ_３Ｈ_６、Ｈ/Ｃ＝２.０）、ジメチルエーテル（（ＣＨ_３）_２Ｏ、Ｈ/Ｃ＝３.０）、ベンゼン（Ｃ_６Ｈ_６、Ｈ/Ｃ＝1.０）、トルエン（Ｃ_６Ｈ_５ＣＨ_３、Ｈ/Ｃ＝１．３３）、並びに、メタン、エチレン、プロパンなどの混合物である天然ガス（ＬＮＧ）（Ｈ/Ｃは３．７〜４．０）、メタンと水素を主成分とするコークス炉ガス（ＣＯＧ）（Ｈ/Ｃは約５．９）、原油（Ｈ／Ｃは約１．８７）、灯油（Ｈ/Ｃは約１．９７）、軽油（Ｈ/Ｃは約１．８４）、重油（１．５５〜１．７５）、トリオール（Ｃ_７Ｈ_８、Ｈ/Ｃ＝1.１）、ナフタリン（Ｃ_７Ｈ_８、Ｈ/Ｃ＝1.１）。

これらの気体還元材または液体還元材の内、Ｈ/Ｃが１．５以下の気体還元材（ベンゼン、トルエンなど）または液体還元材（トリオール、ナフタリンなど）は、吹き込み直後に熱分解して固体状Ｃ（すす）を発生し易く、熱源としての有効性に問題がある。
従って、気体還元材および液体還元材としてはＨ/Ｃが１．５以上のものが望ましく、上述したエタンやメタンなどを単独で、もしくは複数種を混合して用いればよい。
なお、予め各種ガスが混合されているＣＯＧやＬＮＧなどもこの条件に符合する。
具体的には入手のし易さの観点から気体還元材としては天然ガスが、液体還元材としては重油が特に好ましい。
本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、具体的には以下の（１）〜（３）の構成を有するものである。

（１）本発明の高炉操業方法は、羽口から補助還元材として固体還元材と気体還元材および/または液体還元材を吹込む高炉操業方法において、物質収支計算によるボッシュガス中のＨ _２ /ＣＯが０．２２以上の条件を満たす固体還元材と気体還元材および/または液体還元材の吹込み比の推算値を物質収支計算により求める工程と、
固体還元材と共にＨ/Ｃ（平均的な組成中の水素と炭素のモル比）が１．５以上の液体還元材または気体還元材を同時に吹き込み、かつ下記の高炉炉下部通気抵抗指数Ｋを減少させるために前記固体還元材および／または気体還元材もしくは液体還元材の吹き込み量を前記推算値に基づいて調整する工程を備えたことを特徴とするものである。
高炉炉下部通気抵抗指数Ｋ=（P_blast ²-P²）/V^1.7
但し、P_blast：送風圧（ｋｇ/ｃｍ^２）
P ：ボッシュ部直上の炉壁部静圧（ｋｇ/ｃｍ^２）
V ：ボッシュガス量（Ｎｍ^３/ｔ）

なお、Ｈ_２/ＣＯを０．２２以上とする方法は特に限定されるものではなく、例えば、物質収支計算によるボッシュガス中のガス濃度の推算値に基づいて固体還元材および気体還元材の吹込み量を決定する、あるいは実測によってボッシュガス中のＨ_２/ＣＯをモニターしながら、液体または気体還元材の吹き込み量を適正に調整するなどすればよい。

（２）また、羽口から補助還元材として固体還元材と気体還元材および/または液体還元材を吹込む高炉操業方法において、
実操業においてボッシュガスをサンプリングしてガス中のＣＯ、Ｈ _２ 、Ｈ _２ 、Ｎ _２ の濃度を把握する工程と、
固体還元材と共にＨ/Ｃ（平均的な組成中の水素と炭素のモル比）が１．５以上の液体還元材または気体還元材を同時に吹き込み、かつ下記の高炉炉下部通気抵抗指数Ｋを減少させるためにボッシュガス中のＨ _２ /ＣＯが０．２２以上となるように前記固体還元材および／または気体還元材もしくは液体還元材の吹き込み量を前記サンプリングによって把握したガス濃度に基づいて調整する工程を備えたことを特徴とするものである。
高炉炉下部通気抵抗指数Ｋ=（P _blast ² -P ² ）/V ^1.7
但し、P _blast ：送風圧（ｋｇ/ｃｍ ^２ ）
P ：ボッシュ部直上の炉壁部静圧（ｋｇ/ｃｍ ^２ ）
V ：ボッシュガス量（Ｎｍ ^３ /ｔ）

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、液体還元材として重油、気体還元材として天然ガスを用いることを特徴とするものである。
（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、固体還元材として微粉炭および／または合成樹脂材を用いることを特徴とするものである。
（５）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記固体還元材が微粉炭であり、該微粉炭の吹き込み量を１５０ｋｇ／ｔ−ｐ以下にしたことを特徴とするものである。

本発明においては、羽口から補助還元材として固体還元材と気体還元材または液体還元材を吹込む高炉操業方法において、固体還元材と共にＨ／Ｃ（平均的な組成中の水素と炭素のモル比）が１．５以上の液体還元材または気体還元材を同時に吹き込み、かつ高炉炉下部通気抵抗指数Ｋを減少させるためにボッシュガス中のＨ_２/ＣＯが０．２２以上となるように前記固体還元材および／または気体還元材もしくは液体還元材の吹き込み量を調整するようにしたので、ＣＯ_２を大幅に削減できると共に、炉内圧損の上昇を抑制しながら、還元材比を低減できる。

本発明においては、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯに着目し、その具体的数値を０．２２以上にすることで、微粉炭等の固体還元材に由来するアッシュの蓄積や、未燃チャーの発生と蓄積による圧損上昇の効果よりも水素投入による圧損緩和の効果を上回らせることができることを示したが、このことに大きな意義がある。なぜなら、このような指標が示されることで、従来では圧損上昇によって固体還元材の吹込みに限界があったものを、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯを０．２２以上にするという具体的な数値と共に、この数値を境界として急激に圧損上昇を緩和できることを示したことにより、高炉操業における操業条件の弾力化を可能にしたからである。

図２は本実施の形態に係る高炉操業方法の実施に使用したベルレス式装入装置を有する高炉及びその周辺設備の概要の説明図である。
本実施の形態に使用した高炉及びその周辺設備は、図２に示すように、内容積が３２２３ｍ^３である高炉１と、この高炉１に熱風を送る送風管２とを備え、この送風管２を貫通して微粉炭吹込みランス３、合成樹脂材吹込みランス４、気体還元材吹込みランス５が設置されている。

本実施の形態の高炉操業方法は、羽口から補助還元材である固体還元材として微粉炭を吹込み、同じく補助還元材であるＨ／Ｃが１．５以上の気体還元材として天然ガスを吹き込む。
そして、補助還元材の吹込みに際してはボッシュガス中のＨ_２/ＣＯが０．２２以上となるように補助還元材の吹込み量を調整する。

補助還元材の吹込み量の調整方法としては、例えば以下のようにする。
微粉炭と天然ガスを吹込む場合に、微粉炭及び天然ガスの化学組成（Ｃ、Ｏ、Ｈ、Ｎなど）とこれらの吹込み量、送風中の全酸素原単位から計算によって、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯが０．２２以上の条件を満足する微粉炭吹込み比と天然ガス吹込み比の推算値を予め求めておく。

図３は酸素富化率が３％で一定の場合の、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯが所定値を満たすための条件をグラフで示したものであり、縦軸が天然ガス吹込み比を示し、横軸が微粉炭吹込み比を示している。図３においては、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯが０．２２以上となる領域の境界線を太線で示し、その他にＨ_２/ＣＯが０．２、０．３、０．４となる領域の境界線を破線で示している。
なお、酸素富化率が異なる場合も同様な図を得ることができる。

図３によれば、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯを０．２２以上にするためには、例えば微粉炭吹込み比が５０ｋｇ/t-pの場合には天然ガス吹込み比を約２４ｋｇ/t-p以上、微粉炭比が１００ｋｇ/t-pの場合には天然ガス吹込み比を約１５ｋｇ/t-p以上、微粉炭比が１５０ｋｇ/t-pの場合には天然ガス吹込み比を約５ｋｇ/t-p以上にすればよい。
もっとも、上記の図３に基づいて天然ガス吹込み比を決定しても、操業時にボッシュガスを直接サンプリングしてガス中のＣＯ、Ｈ_２、Ｈ_２、Ｎ_２の濃度を把握しながら、天然ガス吹込み比をさらに調整するようにしてもよい。

以上のように、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯが０．２２以上になるように天然ガス吹込み比を設定することにより、図１に示したように、微粉炭吹き込み比によらず炉下部Ｋ値が低下し、炉内通気抵抗を緩和できる。これに対応して還元材比を低下し易くなる。

なお、上記の例では、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯが０．２２以上にする方法として、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯが０．２２以上の条件を満足する微粉炭吹込み比と天然ガス吹込み比の推算値を予め求めておき、この予め求めた推算値に基づいて天然ガスの吹込みを実施する例を示した。
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば予め計算によって基礎となる値を求めていなくても、実操業においてボッシュガスを直接サンプリングしてガス中のＣＯ、Ｈ_２、Ｈ_２、Ｎ_２の濃度を把握しながら、天然ガス吹込み比を調整するようにしてもよい。
また、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯが０．２２以上に調整する方法として、天然ガス吹込み比を調整するのみならず、微粉炭等の固体還元材の吹込み比を調整するようにしてもよい。

なお、上記の実施の形態においては、固体還元材として微粉炭のみを吹込んだ例を挙げたが、本発明はこれに限られるものではなく、微粉炭と合成樹脂材を同時に吹込んでもよいし、あるいは合成樹脂を単独で吹込んでもよい。

以下においては、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯを０．２２以上に調整したときの効果を具体的に説明する。
微粉炭吹込み比を５０ｋｇ/t-p、１００ｋｇ/t-p、１５０ｋｇ/t-p、とした３つのケースについて、天然ガスの吹き込み比を２０ｋｇ/t-pごとに変えることでボッシュガス中のＨ_２/ＣＯを変化させ、そのときの還元材比とＨ_２/ＣＯとの関係を求めた。
図４は還元材比とボッシュガス中のＨ_２/ＣＯとの関係を示すグラフであり、縦軸が還元材比を、横軸がボッシュガス中のＨ_２/ＣＯをそれぞれ示している。

図４に示されるように、天然ガスを吹込んでもボッシュガス中のＨ_２/ＣＯが０．２２未満では、上記３つのいずれのケースにおいても還元材比低減の効果はほとんどみられない。
しかし、天然ガスの吹込み比を増やし、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯを０．２２以上にすると、上記３つのいずれのケースにおいても還元材比低減の効果が顕著に現れている。

例えば、微粉炭吹込み比５０ｋｇ/t-pのケースでは、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯを０．２９にしたときの還元材比は４９３ｋｇ/t-pとなっており、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯが０．２２未満のときの４９８ｋｇ/t-pに比較すると、５ｋｇ/t-p低減できている。
また、微粉炭吹込み比１００ｋｇ/t-pのケースでは、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯを０．３２にしたときの還元材比は４９９ｋｇ/t-pとなっており、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯが０．２２未満のときの５０５ｋｇ/t-pに比較すると、６ｋｇ/t-p低減できている。
さらに、微粉炭吹込み比１５０ｋｇ/t-pのケースでは、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯを０．３５にしたときの還元材比は５０５ｋｇ/t-pとなっており、ボッシュガス中のＨ_２/ＣＯが０．２２未満のときの５１２ｋｇ/t-pに比較すると、７ｋｇ/t-p低減できている。

以上のように、天然ガス吹込みによってボッシュガス中のＨ_２/ＣＯを０．２２以上にすることで、通気性が改善し、水素投入による効果として還元材比低減が実現できるのである。

本発明の根拠を説明するためのグラフである。 本発明を実施する高炉びその周辺設備の説明図である。 本発明の一実施の形態における気体還元材の吹込み比の調整方法を説明する説明図である。 本発明の実施例の効果を説明するためのグラフである。 本発明の課題を説明するためのグラフであり、微粉炭の吹込み比とボッシュガス中のＨ_２とＣＯの濃度比（Ｈ_２/ＣＯ）の関係を示すグラフである。 本発明の課題を説明するためのグラフであり、Ｈ_２/ＣＯと実炉の炉下部Ｋ値の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 高炉、２ 送風管、３ 微粉炭吹込みランス、４ 合成樹脂材吹込みランス、５ 気体還元材吹込みランス。

Claims (5)

1. 羽口から補助還元材として固体還元材と気体還元材および/または液体還元材を吹込む高炉操業方法において、
   物質収支計算によるボッシュガス中のＨ _２ /ＣＯが０．２２以上の条件を満たす固体還元材と気体還元材および/または液体還元材の吹込み比の推算値を物質収支計算により求める工程と、
   固体還元材と共にＨ/Ｃ（平均的な組成中の水素と炭素のモル比）が１．５以上の液体還元材または気体還元材を同時に吹き込み、かつ下記の高炉炉下部通気抵抗指数Ｋを減少させるために前記固体還元材および／または気体還元材もしくは液体還元材の吹き込み量を前記推算値に基づいて調整する工程を備えたことを特徴とする高炉操業方法。
   高炉炉下部通気抵抗指数Ｋ=（P_blast ²-P²）/V^1.7
   但し、P_blast：送風圧（ｋｇ/ｃｍ^２）
   P ：ボッシュ部直上の炉壁部静圧（ｋｇ/ｃｍ^２）
   V ：ボッシュガス量（Ｎｍ^３/ｔ）
   
2. 羽口から補助還元材として固体還元材と気体還元材および/または液体還元材を吹込む高炉操業方法において、
   実操業においてボッシュガスをサンプリングしてガス中のＣＯ、Ｈ _２ 、Ｈ _２ 、Ｎ _２ の濃度を把握する工程と、
   固体還元材と共にＨ/Ｃ（平均的な組成中の水素と炭素のモル比）が１．５以上の液体還元材または気体還元材を同時に吹き込み、かつ下記の高炉炉下部通気抵抗指数Ｋを減少させるためにボッシュガス中のＨ _２ /ＣＯが０．２２以上となるように前記固体還元材および／または気体還元材もしくは液体還元材の吹き込み量を前記サンプリングによって把握したガス濃度に基づいて調整する工程を備えたことを特徴とする高炉操業方法。
   高炉炉下部通気抵抗指数Ｋ=（P _blast ² -P ² ）/V ^1.7
   但し、P _blast ：送風圧（ｋｇ/ｃｍ ^２ ）
   P ：ボッシュ部直上の炉壁部静圧（ｋｇ/ｃｍ ^２ ）
   V ：ボッシュガス量（Ｎｍ ^３ /ｔ）
3. 液体還元材として重油、気体還元材として天然ガスを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉操業方法。
   
4. 固体還元材として微粉炭および／または合成樹脂材を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の高炉操業方法。
   
5. 前記固体還元材が微粉炭であり、該微粉炭の吹き込み量を１５０ｋｇ／ｔ−ｐ以下にしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の高炉操業方法。
   

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