JP5521353B2

JP5521353B2 - 高炉熱保存帯温度の推定方法

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Publication number: JP5521353B2
Application number: JP2009046060A
Authority: JP
Inventors: 誠治野村; 謙一樋口; 和也国友; 誠章内藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: JP2010196151A

Description

本発明は、高炉の操業において、コークスの反応性を変更したときの熱保存帯温度の変動を、定量的に評価する高炉熱保存帯温度の推定方法に関するものである。

高炉製銑法においては、高炉内の反応効率を高めて、還元材比を低減することが、省エネルギーを推進するうえで重要なことであり、そのための方法として、（ｉ）コークスのＣＯ₂ガス化反応性を高めるか、又は、（ii）反応開始温度を下げる、かして、熱保存帯温度を下げ、ガス還元を有利に進めることが知られている（特許文献１〜４、参照）。

雰囲気条件（ＣＯ濃度、ＣＯ₂濃度）がある程度制限されている炉内で、コークスのＣＯ₂ガス化反応性を高める方法としては、コークスを細粒化する方法の他、原料炭に触媒物質（アルカリ金属、アルカリ土類金属化合物、遷移金属、遷移金属化合物等）を混合して乾留する方法が知られている（特許文献５〜９、参照）。しかし、従来方法においては、充分なコークス強度を得ることが困難である。

そして、雰囲気条件（ＣＯ濃度、ＣＯ₂濃度）がある程度制限されている炉内で、保存帯温度を下げて、ガス還元を有利に進めるためには、どの程度の反応性を有する高反応性コークスを、どの程度の配合量で使用すればよいかは、これまで定量的に解析されていない。

即ち、還元材比の低下度は、熱保存帯温度の低下度にほぼ比例するので、還元材比を目標分低下させるには、熱保存帯温度を、該目標分に見合う分低下させる必要があるところ、どの程度の反応性を有するコークスを、どの程度の配合量で使用すれば、熱保存帯温度が、どの程度低下するかについては、これまで定量的に解析されていない。

熱保存帯温度の低下の程度については、例えば、ＢＩＳ炉（断熱型高炉反応シミュレーター、非特許文献１、参照）によって評価する方法があるが、ＢＩＳ炉による試験は、実験準備、実験、及び、実験解析に時間（３日ほど）を要するので、解析結果は、迅速に、操業制御に反映され難い。このため、反応性を高めたコークスの反応性を変更したときの熱保存帯温度の変動を、定量的に評価する評価方法の開発が求められている。

特開平０６−１４５７２８号公報特開平０６−１４５７２９号公報特開平０６−１４５７３０号公報特開平０６−１４５７３４号公報特開昭６３−１３７９８９号公報特開２００１−３４８５７６号公報特開２００４−３００１７０号公報特開２００８−５６７９１号公報特開２００７−１２６５０５号公報

内藤ら、鉄と鋼、８７（２００１）、３５７頁

本発明は、上記要望を踏まえ、Ｆｅ、Ｃａ等の反応性向上触媒を含有するコークスを、高炉の操業にて、通常コークスへ配合して使用する場合において、コークスの反応性を変更（即ち、反応性向上触媒の添加量を変更）したときの、炉内における熱保存帯温度の変動を、簡便な手法で評価する評価方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決するため、高反応性コークスの反応性を変更（反応性向上触媒の添加量を変更）したとき、熱保存帯温度に替わり、簡便に測定できる温度を測定することにより、熱保存帯温度の変動を推定し得る方法について鋭意検討した。

その結果、本発明者らは、小型反応ガス化試験装置で測定する反応開始温度と、ＢＩＳ炉で測定する熱保存帯温度の間に、明瞭な相関関係が存在することを見いだした。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１）コークスの反応性を変更したときの高炉熱保存帯温度の変動を定量的に推定する方法であって、
（ｉ）反応性の異なる複数のコークスを準備し、
（ii）準備した反応性の異なるコークスのガス化反応開始温度を、一定の昇温条件の下でそれぞれ測定するとともに、
（iii）更に、準備した反応性の異なるコークスを用いて熱保存帯温度を測定し、
（iv）測定された、反応性が同じコークスのそれぞれのガス化反応開始温度と熱保存帯温度から、コークスのガス化反応開始温度と熱保存帯温度の相関関係を予め求めておき、
（ｖ）コークスの反応性を変更したときの高炉熱保存帯温度を、変更後のコークスのガス化反応開始温度から、予め求めた前記相関関係に基づいて推定することを特徴とする高炉熱保存帯温度の推定方法。

（２）前記コークスが成形コークスであることを特徴とする前記（１）に記載の高炉熱保存帯温度の推定方法。

（３）前記コークスの反応性を、触媒の添加量を変えて変更することを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の高炉熱保存帯温度の推定方法。

（４）前記触媒が、Ｆｅ又はＣａであることを特徴とする前記（３）に記載の高炉熱保存帯温度の推定方法。

（５）前記ガス化反応開始温度を、小型反応ガス化試験装置で求めることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の高炉熱保存帯温度の推定方法。

（６）前記ガス化反応開始温度と熱保存帯温度の相関関係が、小型反応ガス化試験装置で測定したガス化反応開始温度と、ＢＩＳ炉で測定した熱保存帯温度に基づいて求めたものであることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載の高炉熱保存帯温度の推定方法。

本発明によれば、高反応性コークスの反応性を変更したときの高炉熱保存帯温度の変動を、簡便な手法で定量的に評価することができる。

小型反応ガス化試験装置の一態様を示す図である。ＢＩＳ炉の態様を示す図である。コークスのＦｅ含有率（％）とガス化反応開始温度（℃）の関係を示す図である。コークスのＣａ含有率（％）とガス化反応開始温度（℃）の関係を示す図である。コークスのガス化反応開始温度と熱保存帯温度の相関関係を示す図である。実施例で確認したコークスの触媒含有率とガス化反応開始温度の関係を示す図である。実施例で確認したコークスのガス化反応開始温度と熱保存帯温度の相関関係を示す図である。

本発明について説明する。本発明は、高炉の操業において、反応性を高めたコークス（高反応性コークス）の反応性を変更したときの熱保存帯温度の変動を定量的に評価することを基本思想とするものであって、特に、予め求めたコークスのガス化反応開始温度と熱保存帯温度の相関関係に基づいて、熱保存帯温度の変動を評価することを特徴とする。

高反応性コークスは、通常（成形しない）コークス（室炉コークスに相当）及び成形コークスのいずれでもよい。高反応性コークスの反応性は、原料炭に添加する触媒の量を変えて変更する。触媒としては、従来使用されている、アルカリ金属、アルカリ土類金属化合物、遷移金属、遷移金属化合物等を使用し得るが、特に、Ｆｅ又はＣａが好ましい。乾留条件は、通常の乾留条件でよい。

図１に、高反応性コークスのガス化反応開始温度を測定する小型反応ガス化試験装置の一態様を示す。なお、この装置は、特開２００７−３０９６７２号に開示のコークスの熱間反応後粉率測定装置と基本的に同じものである。

図１に示す小型反応ガス化試験装置においては、反応外管１の内部に、上部にガス供給口７と周囲に加熱手段２を備える反応内管３が配置されている。反応内管３の底部には、アルミナ球４が充填されていて、その上に、コークス５が装入されている。

ガス排出口８と温度計９を備える管蓋６で、反応内管３を閉じた後、ガス供給口７から、反応ガス（ＣＯ＋ＣＯ₂）を、流量：１５〜２５Ｎｌ／ｍｉｎ（好ましくは２０Ｎｌ／ｍｉｎ）で供給し、ガス排出口８から反応後のガスを排出する。反応ガスは、上部の供給口７から反応管底部に入りアルミナ球を通過する間に予熱される。

ここで、ＣＯとＣＯ₂の比率は、ＣＯ：ＣＯ₂＝５０％：５０％が好ましいが、高炉上部のシャフト部の組成に近いガス組成であればよく、ＣＯ：７０％〜３０％、ＣＯ₂：３０％〜７０％であればよい。

小型反応ガス化試験装置には、重量測定器（図示なし）が備えつけられていて、ガス化反応の進行中、温度計９で、コークス温度を測定するとともに、重量測定器で、コークスの重量を測定する。

実験は、常温から所定昇温速度（例えば、１０℃／ｍｉｎ）で昇温し、コークスの重量減少を測定する。

コークスのガス化反応で、コークスが消耗し、コークスの重量が減少するので、単位時間当りのコークスの重量減少率：（１／ｗ₀）×（ｄｗ／ｄｔ）（ここで、ｔは、時間［ｍｉｎ］、ｗは、時間ｔにおけるコークスの重量［ｇ］、ｗ₀は、コークスの初期重量［ｇ］）が０．００２（ｍｉｎ^-1）を超えた温度を、コークスの反応開始温度として測定する。

また、この測定では、昇温速度は一定とするので、温度Ｔ（℃）におけるコークスの重量をｗとする時に、単位温度上昇当りのコークスの重量減少率：（１／ｗ₀）×（ｄｗ／ｄＴ）が０．０００２（℃^-1）を超えた温度を、コークスの反応開始温度として測定してもよい。

このように、コークスの反応開始温度を定義すると、昇温速度を変えて、該昇温速度一定の下で、コークスの反応開始温度を測定してもよく、常温からの昇温が、所定の昇温速度（５〜２０℃／ｍｉｎ）の範囲であれば、この方法により、コークスの反応開始温度を測定することが可能である。

図３に、触媒としてＦｅを添加したコークスについて測定した、コークス中のＦｅ含有率（％）とコークスのガス化反応開始温度の関係を示す。図３において、○は、成形コークスに係る測定値であり、□は、通常（成形しない）コークスに係る測定値である。

図３から、例えば、成形コークスのガス化反応開始温度（℃）（○、参照）は、コークスのＦｅ含有率の増加に伴い、直線的に低下することが解る。コークスのＦｅ含有率：１０％のとき、成形コークスのガス化反応開始温度（℃）は１０５０℃であるが、コークス中のＦｅ含有率：４５％で、成形コークスのガス化反応開始温度（℃）は９５０℃まで低下している。

同様に、図１に示す小型反応ガス化試験装置を用いて、触媒としてＣａを添加した成形コークスについて、コークスのガス化反応開始温度（℃）を測定した。反応条件は、触媒としてＦｅを添加したコークスの場合と同じである。

図４に、コークスのＣａ含有率（％）とコークスのガス化反応開始温度の関係を示す。図３に示す傾向と同様に、コークスのガス化反応開始温度（℃）は、コークスのＣａ含有率の増加に伴い、直線的に低下する。コークス中のＣａ含有率：５％のとき、コークスのガス化反応開始温度（℃）は１０８０℃であるが、コークス中のＣａ含有率：１５％で、コークスのガス化反応開始温度（℃）は１０４０℃まで低下している。

このように、コークスのガス化反応開始温度は、触媒添加量の増加とともに減少することが判明した。

次に、熱保存帯温度と、小型反応ガス化試験装置で測定したコークスのガス化反応開始温度の相関関係について説明する。この相関関係は、本発明者らが見いだした、本発明の根幹をなす知見である。

熱保存帯温度は、図２に示すＢＩＳ炉で測定する。ＢＩＳ炉は、反応管１０内に鉄鉱石（焼結鉱）１１とコークス１２を交互に層状に充填し、反応管１０の外周に配置した電気炉１３（加熱炉１５と断熱炉１６からなる）を反応管１０の長手方向の上部から下部に移動させつつ、反応ガスを、反応管１０上部のガス導入口１４から導入し、複数の鉄鉱石（焼結）１１層及びコークス１２層を通過させて、反応管１０下部のガス排出口１６から排出する向流移動層タイプの反応試験装置である。

反応管１０は、内径：１０３ｍｍ、長さ：５．４ｍのステンレス管である。電気炉１３は、反応ガスを、高炉融着帯上部の温度（１２００℃）まで予熱して、鉱石還元を終了させるための加熱炉１５と、この温度以下の反応を断熱系で進行させるための断熱炉１６で構成されている。なお、加熱炉１５及び断熱炉１６は、それぞれ、長さが、９５０ｍｍ及び１０９０ｍｍである。
このＢＩＳ炉で、コークス中のＦｅ量を変化させたコークスを用いて熱保存帯温度を測定した。

ＢＩＳ炉による熱保存帯温度の測定には、長時間（３日ほど）を要するので、実際の高炉における熱保存帯温度の変動を、迅速に、操業制御に反映することは難しいが、本発明者らは、小型反応ガス化試験装置により簡便に測定できるコークスのガス化反応開始温度及びその変動が、ＢＩＳ炉で測定される熱保存帯温度及びその変動に極めてよく一致することを見いだした。

図５に、コークス中のＦｅ量で整理した、すなわち、同じＦｅ量を有するコークスについて、小型反応ガス化試験装置により測定したコークスのガス化反応開始温度とＢＩＳ炉で測定される熱保存帯温度をそれぞれプロットして示す。図中、○は、通常（成形しない）コークスの場合を示し、□は、成形コークスの場合を示す。
図５より、小型反応ガス化試験装置により測定したコークスのガス化反応開始温度と、ＢＩＳ炉で測定される熱保存帯温度に良好な相関関係があることがわかる。

図５から、コークスの形態にかかわらず、コークスのガス化反応開始温度とＢＩＳ炉で測定される熱保存帯温度が、ほぼ１対１の対応関係にあることが解る。

即ち、ＢＩＳ炉により熱保存帯温度を測定しなくても、小型反応ガス化試験装置によりコークスのガス化反応開始温度を測定することにより、ＢＩＳ炉で測定される熱保存帯温度とその変動を知ることができるのである。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例）
表１に示す性状のＡ炭とＢ炭を５０％ずつ配合した配合炭を乾留してコークスを製造し、ガス化反応開始温度を、図１に示す小型反応ガス化試験装置で測定した。その結果を、表２に示す。また、幾つかのコークスについて、図２に示すＢＩＳ炉で熱保存帯温度を測定した。その結果を、表２に、併せて示す。

図６に、コークス中の触媒含有率とコークスのガス化反応開始温度の関係を示す。コークスのガス化反応開始温度は、コークスの触媒含有率の増加に伴い、直線的に低下する。

図７に、コークスのガス化反応開始温度とＢＩＳ炉で測定した熱保存帯温度の相関関係を示す。コークスのガス化反応開始温度とＢＩＳ炉で測定した熱保存帯温度は、極めてよい対応関係にある。
したがって、触媒の含有量の異なるコークスのガス化反応開始温度を小型反応ガス化試験装置により測定することにより、そのコークスを用いた際の熱保存帯温度を図７より推定することができる。

前述したように、本発明によれば、高反応性コークスの反応性を変更したときの高炉熱保存帯温度の変動を、簡便な手法で、定量的に評価することができる。その結果、操業制御を、熱保存帯温度の変動に合せ、迅速、適確に行うことができる。よって、本発明は、鉄鋼産業において利用可能性が高いものである。

１反応外管
２加熱手段
３反応内管
４アルミナ球
５コークス
６管蓋
７ガス供給口
８ガス排出口
９温度計
１０反応管
１１鉄鉱石（焼結鉱）
１２コークス
１３電気炉
１４ガス導入口
１５加熱炉
１６断熱炉
１７ガス排出口

Claims

コークスの反応性を変更したときの高炉熱保存帯温度の変動を定量的に推定する方法であって、
（ｉ）反応性の異なる複数のコークスを準備し、
（ii）準備した反応性の異なるコークスのガス化反応開始温度を、一定の昇温条件の下でそれぞれ測定するとともに、
（iii）更に、準備した反応性の異なるコークスを用いて熱保存帯温度を測定し、
（iv）測定された、反応性が同じコークスのそれぞれのガス化反応開始温度と熱保存帯温度から、コークスのガス化反応開始温度と熱保存帯温度の相関関係を予め求めておき、
（ｖ）コークスの反応性を変更したときの高炉熱保存帯温度を、変更後のコークスのガス化反応開始温度から、予め求めた前記相関関係に基づいて推定する
ことを特徴とする高炉熱保存帯温度の推定方法。
前記コークスが成形コークスであることを特徴とする請求項１に記載の高炉熱保存帯温度の推定方法。
前記コークスの反応性を、触媒の添加量を変えて変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉熱保存帯温度の推定方法。
前記触媒が、Ｆｅ又はＣａであることを特徴とする請求項３に記載の高炉熱保存帯温度の推定方法。
前記ガス化反応開始温度を、小型反応ガス化試験装置で求めることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高炉熱保存帯温度の推定方法。
前記コークスのガス化反応開始温度と熱保存帯温度の相関関係が、小型反応ガス化試験装置で測定したガス化反応開始温度と、ＢＩＳ炉で測定した熱保存帯温度に基づいて求めたものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の高炉熱保存帯温度の推定方法。