JP5573095B2 - 熱風炉設備の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉に熱風を送るための熱風炉設備の操業方法に関する。

ＣＯ_２排出削減に向け、製鉄所において省エネルギーのニーズが高まっている。特に、熱風炉では製鉄所全体の１割近くのエネルギーを消費しており、省エネルギー化の重要度は高い。
熱風炉の熱効率を向上させるために、例えば、特許文献１では、燃焼排ガスの顕熱を回収して燃焼用空気や燃料ガスを予熱することにより、熱効率の向上を図っている。また、特許文献２のように、燃料ガスである高炉ガス（Ｂガス）とコークス炉ガス（Ｃガス）の混合比率と燃焼用空気量を最適化することで、高効率燃焼を実現し、熱効率の向上を図る取り組みもなされている。
また、特許文献３には、送風工程にある熱風炉で発生した熱風の一部を燃焼工程にある熱風炉に燃焼用空気として供給する方法が示されている。

特開昭６２−１７１０８号公報 特開平９−２０９０１５号公報 特開昭５７−１５８３０８号公報

しかし、燃焼排ガスの顕熱により燃焼用空気などを予熱する方法では、燃焼用空気の温度は高々１５０℃程度にしかならないため、大幅な熱効率の向上は望めない。
また、燃料ガスであるＢガスとＣガスの混合比率は製鉄所の操業状態で制約を受けるため、必ずしも最適な比率にできないことも多く、大幅な熱効率向上につながるとは言い難い。
また、特許文献３のように、送風工程にある熱風炉で発生した熱風の一部を燃焼工程にある熱風炉に燃焼用空気として供給すれば、熱風炉設備の燃料原単位を低減することができるが、これだけでは大幅な熱効率の向上は望めない。

したがって本発明の目的は、高炉送風用の熱風炉設備の熱効率を大幅に向上させることが可能な熱風炉設備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の本発明の要旨は以下のとおりである。

［1］高炉送風用の複数基の熱風炉を備えた熱風炉設備の操業方法であって、複数基の熱風炉から順次選択される熱風炉の送風期間がラップするように送風が行われる操業方法において、
送風期間がラップする任意の２基の熱風炉（１x）,（１y）による送風を、下記（ｉ），（ii）の条件で行うことを特徴とする熱風炉設備の操業方法。
（ｉ）熱風炉（１x）又は熱風炉（１y）の単独送風時には、送風工程にある熱風炉への送風量を調整することで熱風温度を制御するとともに、高炉に送風しない余剰分の熱風を、燃焼工程にある他の熱風炉に導き、該熱風を下記（イ）及び／又は（ロ）の形態で用いる。
（イ）熱風を燃焼用空気及び／又は燃料ガスの予熱用熱媒として用いる。
（ロ）熱風を燃焼用空気に混合する。
（ii）熱風炉（１x）及び熱風炉（１y）の同時送風時には、両熱風炉（１x），（１y）で発生した熱風の混合割合を調整することで熱風温度を制御するとともに、高炉に送風しない余剰分の熱風を、燃焼工程にある他の熱風炉に導き、該熱風を下記（イ）及び／又は（ロ）の形態で用いる。
（イ）熱風を燃焼用空気及び／又は燃料ガスの予熱用熱媒として用いる。
（ロ）熱風を燃焼用空気に混合する。

［2］上記［1］の操業方法において、混冷を行うことで、熱風温度を補完的に制御することを特徴とする熱風炉設備の操業方法。
［3］上記［1］の操業方法において、混冷を行うことなく熱風温度を制御することを特徴とする熱風炉設備の操業方法。

本発明法によれば、操業中の少なくとも一時期において、送風工程にある熱風炉への送風量を調整することで熱風温度を制御することにより、従来法に較べて混冷を大幅に減少させ、或いは混冷をなくすことができるとともに、高炉に送風しない余剰分の熱風を燃焼工程にある他の熱風炉に導き、燃焼用空気などの予熱用熱媒や燃焼用空気の一部として用いるため、燃焼用空気や燃料ガスの予熱温度を高めることができ、熱風炉設備の燃料原単位を低減することできる。これらの結果、熱風炉設備の熱効率を大幅に高めることができる。本発明法では、熱風温度の制御のために熱風炉への送風量が変動しても、余剰分の熱風量（すなわち、燃焼工程にある他の熱風炉に導かれる熱風量）が変動するだけであるため大きな支障はなく、熱風炉への送風量の調整による熱風温度の制御を安定的に行うことができる。

本発明の熱風炉設備の操業方法の一実施形態を示す説明図 本発明法の実施に供される熱風炉設備の一実施形態を模式的に示す説明図 従来の熱風炉設備の操業方法の代表例を示す説明図 図３に示す熱風炉設備において、従来法によりパラレル送風方式で送風を行う場合の各熱風炉（１ＨＳ〜４ＨＳ）の燃焼工程−送風工程のサイクルと混冷の実施時期を示す説明図

図３は、従来の熱風炉設備の操業方法の代表例を示している。熱風炉設備は４基の熱風炉１a〜１dを備えており、各熱風炉１は、燃焼室２と蓄熱室３を有するとともに、燃焼室２に供給される燃焼用空気と燃料ガスをそれぞれ予熱するための予熱器４を有している。この予熱器４には、燃焼室２で生じた燃焼排ガスの廃熱を回収した熱媒が供給される。このような熱風炉１では、燃焼工程と送風工程が交互に行われる。

熱風炉１の燃焼工程では、燃料ガスと燃焼用空気を予熱器４で予熱した後、燃焼室２内において燃焼バーナーで燃焼させる。その燃焼排ガスが蓄熱室３に導かれ、レンガを昇温させることで蓄熱がなされる。蓄熱室３を通過した燃焼排ガスは、熱交換器（図示せず）において熱媒により廃熱回収された後、排出される。前記熱交換器の熱媒は予熱器４に送られ、予熱用の熱源として用いられる。一方、熱風炉１の送風工程では、空気（常温）が蓄熱室３内に導入され、この空気は前記燃焼工程で昇温したレンガで加熱されることで熱風となり、この熱風の全量が送風管５により高炉６に送風される。熱風炉１を出た熱風には、必要に応じて、温度調整を目的として冷風が添加される（混冷）。

一般に、熱風炉から高炉への送風方式としては、複数基の熱風炉１から順次選択される１基の熱風炉より送風が行われるシングル送風方式と、複数基の熱風炉１から順次選択される熱風炉の送風期間がラップするように送風が行われるパラレル送風（スタッガードパラレル）方式とがある。ここで、図３に示すような４基の熱風炉１を備えた熱風炉設備においてパラレル送風方式で操業を行う場合には、熱風炉１a〜１dの中から順次選択される熱風炉１から、送風期間がラップするように送風が行われ、その結果、４基の熱風炉１のうち、２基で燃焼工程（図３の状態では熱風炉１b，１d）、残りの２基で送風工程（図３の状態では熱風炉１a，１c）がそれぞれ行われることになる。したがって、このパラレル送風方式では、操業の主たる期間中において、２基の熱風炉１から同時送風がなされる。但し、一部期間においては、送風工程と燃焼工程の切換に伴って不可避的に１基の熱風炉１からの単独送風となる。なお、いずれの場合でも、熱風炉１で発生した熱風の全量が高炉に送風される。

以上のような従来法に対して、本発明の熱風炉設備の操業方法は、高炉送風用の複数基の熱風炉を備えた熱風炉設備の操業方法であって、操業中の少なくとも一時期において、送風工程にある熱風炉への送風量を調整することで熱風温度を制御するとともに、高炉に送風しない余剰分の熱風を、燃焼工程にある他の熱風炉に導き、この熱風を下記（イ）及び／又は（ロ）の形態で用いる。
（イ）熱風を燃焼用空気及び／又は燃料ガスの予熱用熱媒として用いる。
（ロ）熱風を燃焼用空気に混合する。

図１は、そのような操業方法の一実施形態を示すものであり、各熱風炉の基本構造と、燃焼工程および送風工程の基本は、図３に示す従来法と同様である。
本発明法では、操業中の少なくとも一時期において、送風工程にある熱風炉１への送風量を調整することで熱風温度を制御する。具体的には、送風工程にある熱風炉１の蓄熱量に応じて当該熱風炉１への送風量を調整し、所定の熱風温度が得られるようにし、高炉６に一定温度の熱風を供給するような操業を行う。このような操業は送風工程の全期間中行ってもよいし、例えば、後述するパラレル送風方式の実施形態のように、送風工程の一部期間に限って行ってもよい。
このような操業は、混冷を行うことなく実施することが可能であり、また、混冷を実施する場合でも、熱風温度を補完的に制御する手段として行えば足りる。

図１の状態では、送風工程にある熱風炉１a，１cへの送風量を調整することで、熱風温度を制御するとともに、この熱風炉１a，１cから高炉６に送風される熱風の一部を、それぞれ燃焼工程にある熱風炉１b，１dに導いている。このようにして熱風炉１b，１dに導かれた熱風は、上記（イ）のように予熱器４に導入して燃焼用空気及び／又は燃料ガスの予熱用熱媒として用いてもよいし、上記（ロ）のように燃焼用空気の供給系に導入し、燃焼用空気に混合してもよいし、その両方を行ってもよい。なお、熱風を予熱器４に導入して燃焼用空気及び／又は燃料ガスの予熱用熱媒として用いる場合でも、予熱器４において、燃焼排ガスの廃熱を利用した熱媒を併用してもよい。

また、例えば、図１の状態から、熱風炉１a，１cが燃焼工程に、熱風炉１b，１dが送風工程になった場合には、送風工程にある熱風炉１b，１dへの送風量を調整することで、熱風温度を制御するとともに、この熱風炉１b，１dから高炉６に送風される熱風の一部が、それぞれ燃焼工程にある熱風炉１a，１cに導かれ、上記と同様に用いられる。
ここで、熱風炉１への送風量を調整することで熱風温度を制御した場合、高炉６に送風しない余剰分の熱風量が変動することになるが、燃焼工程にある他の熱風炉１に導く熱風量を一定にしたい場合には、熱風炉１で発生させる余剰分の熱風量ｈが、燃焼工程にある他の熱風炉１で必要とする熱風量ｈ_０に対して常にｈ≧ｈ_０となるようにし、［ｈ−ｈ_０］の熱風は他の熱源として使用するか、或いは放散させればよい。

本発明では、熱風を上記（イ）及び／又は（ロ）の形態で用いることにより、燃焼用空気を１５０℃以上に予熱することが望ましい。このように燃焼用空気を高温に予熱することにより、熱風炉設備の熱効率を特に向上させることができる。燃焼用空気を高温に予熱すると、燃焼温度が高くなるため燃焼に伴うエクセルギー損失を抑制でき、また蓄熱室を所望の温度に上昇させる時間の短縮により燃料原単位を削減できるので、熱効率が向上する。

熱風炉設備から高炉に熱風を送る場合、熱風量と熱風温度が一定であることが求められ、このため、さきに述べたような従来法では、熱風炉への送風量を常に一定とした上で、混冷により熱風温度を調整し、高炉に送る熱風量と熱風温度が一定となるようにしている。しかし、このような従来法では、混冷の実施がほぼ必須となるため、熱効率が悪い。
これに対して本発明では、送風工程にある熱風炉１への送風量を調整することで熱風温度を制御するので、従来法に較べて混冷を大幅に減少させ、或いは混冷をなくすことができる（効果１）。一方、送風工程にある熱風炉１への送風量は、高炉６に送風しない余剰分が生じるような量とし、この余剰分の熱風を、上記のように燃焼工程にある他の熱風炉１に導き、燃焼用空気などの予熱用熱媒や燃焼用空気の一部として用いる。

このように本発明では、（i）送風工程にある熱風炉１への送風量を調整することで熱風温度を制御する、（ii）高炉６に送風しない余剰分の熱風を、燃焼工程にある他の熱風炉１に導いて燃焼用空気などの予熱に利用する、という２つの要素を組み合わせた操業を行うので、熱風温度の制御のために熱風炉１への送風量が変動しても、余剰分の熱風量（すなわち、燃焼工程にある他の熱風炉１に導かれる熱風量）が変動するだけであるため大きな支障はなく、熱風炉１への送風量の調整による熱風温度の制御を安定的に行うことができる。

また、本発明では、従来の一般的な操業法よりも熱風の発生量は増加するが、そのような従来法に比べて燃焼用空気や燃料ガスの予熱温度を格段に高めることができるので、熱風炉１の蓄熱室３を目標温度にするまでの時間（燃焼時間）を短縮できる。このため燃料原単位を大幅に低減し、熱効率を高めることができる（効果２）。
そして、本発明によれば、以上述べたような「効果１」と「効果２」により、従来では実現できなかったレベルの熱効率向上と省エネルギーが達成される。
本発明法は、特に、燃焼用空気の高温化によって熱効率の向上を図るのに有利な方法であり、例えば、蓄熱室３への送風量を従来法に較べて２０vol％増加させ、この２０vol％分の熱風（送風工程で得られた熱風の２０vol％）を、燃焼工程にある他の熱風炉１に導いて燃焼用空気に混合し、燃焼用空気温度を３００℃まで高めることにより、エクセルギー効率が約５％向上することになる。熱風炉設備のエネルギー消費は製鉄所全体の約８％を占めるので、数％程度の効率向上でも、その効果は非常に大きい。

図４は、図３に示す熱風炉設備において、従来法によりパラレル送風方式で送風を行う場合の各熱風炉（図４では、熱風炉１ＨＳ〜４ＨＳと表示した）の燃焼工程−送風工程のサイクルと混冷の実施時期を示すものであり、図中の黒塗り部分は、燃焼工程と送風工程の切換期間であり、燃焼も送風も行われない。このような４基の熱風炉での従来法によるパラレル送風では、例えば、図４の点線で囲った期間において、２基の熱風炉１ＨＳ，２ＨＳによる同時送風時には、両熱風炉１ＨＳ，２ＨＳで発生した熱風の混合割合を調整することで熱風温度が制御される。一方、黒塗り部分の期間では熱風炉１ＨＳからの単独送風となり、この場合には、混冷により熱風温度が制御される。このように従来法によるパラレル送風では、混冷の実施が必須となる。

一方、本発明法においてパラレル送風を行う場合、すなわち、複数基の熱風炉１から順次選択される熱風炉１の送風期間がラップするように送風を行う場合、送風期間がラップする任意の２基の熱風炉１x,１y（例えば、図１では熱風炉１a，１c）による送風を、下記（ｉ），（ii）の条件で行うことが好ましい。
（ｉ）熱風炉１x又は熱風炉１yの単独送風時には、送風工程にある熱風炉への送風量を調整することで熱風温度を制御するとともに、高炉に送風しない余剰分の熱風を、燃焼工程にある他の熱風炉に導き、この熱風を前記（イ）及び／又は（ロ）の形態で用いる。
（ii）熱風炉１x及び熱風炉１yの同時送風時には、両熱風炉１x，１yで発生した熱風の混合割合を調整することで熱風温度を制御するとともに、高炉に送風しない余剰分の熱風を、燃焼工程にある他の熱風炉に導き、この熱風を前記（イ）及び／又は（ロ）の形態で用いる。

この操業では、上記（ｉ），（ii）のいずれについても混冷を行うことなく実施することが可能であり、また、混冷を実施する場合でも、熱風温度を補完的に制御する手段として行えば足りる。このため、図４に示すような従来法によるパラレル送風に較べ、熱効率を大幅に向上させることができる。
パラレル送風方式で送風を行う熱風炉設備において、上記のような操業形態で送風と熱風温度制御を行うことにより、特に高い熱効率で操業を行うことができる。

上述した本発明の操業方法の実施に供される熱風炉設備は、高炉送風用の複数基の熱風炉を備えた熱風炉設備であって、各熱風炉から高炉に熱風を供給する送風管の途中から分岐して、他の熱風炉に導かれる分岐管ｐを設け、該分岐管ｐが導かれる熱風炉は下記（ｉ）及び／又は（ii）の構造を有するものである。
（ｉ）分岐管ｐを通じて供給される熱風を燃焼用空気及び／又は燃料ガスの予熱用熱媒として用いるために、分岐管ｐを燃焼用空気及び／又は燃料ガスの予熱器に接続する。
（ii）分岐管ｐを通じて供給される熱風を燃焼用空気に混合するために、分岐管ｐを燃焼用空気配管に接続する。

図２は、そのような熱風炉設備の一実施形態を模式的に示すものであり、説明の便宜上、図１の熱風炉１a，１b相互間に分岐管ｐを設けた例を示している。各熱風炉１a，１bから高炉に熱風を供給する送風管５の途中から分岐管ｐが分岐し、他方の熱風炉１b，１aに導かれている。各分岐管ｐには、流量調整機能を有する開閉弁７が設けられている。各分岐管ｐは、他方の熱風炉１b，１aの予熱器４に接続して熱風を燃焼用空気及び／又は燃料ガスの予熱用熱媒として用いるようにしてもよいし、燃焼用空気配管８に接続して熱風を燃焼用空気に混合するようにしてもよいし、その両方の構造を採ってもよい。

この熱風炉設備では、全ての熱風炉１において、その燃焼工程中に他の熱風炉１から熱風が導かれるように、１つの任意の熱風炉１と他の熱風炉１間に分岐管ｐが配設される。
なお、本発明の熱風炉設備では、高炉６への送風仕様（温度，流量）と送風工程にある熱風炉１から出てくる熱風の状態（温度，流量）によって、送風量や熱風分岐量を調整することができるコントローラを設けることが好ましい。

１a，１b，１c，１d 熱風炉
２ 燃焼室
３ 蓄熱室
４ 予熱器
５ 送風管
６ 高炉
７ 開閉弁
８ 燃焼用空気配管
ｐ 分岐管

Claims (3)

1. 高炉送風用の複数基の熱風炉を備えた熱風炉設備の操業方法であって、複数基の熱風炉から順次選択される熱風炉の送風期間がラップするように送風が行われる操業方法において、
   送風期間がラップする任意の２基の熱風炉（１x）,（１y）による送風を、下記（ｉ），（ii）の条件で行うことを特徴とする熱風炉設備の操業方法。
   （ｉ）熱風炉（１x）又は熱風炉（１y）の単独送風時には、送風工程にある熱風炉への送風量を調整することで熱風温度を制御するとともに、高炉に送風しない余剰分の熱風を、燃焼工程にある他の熱風炉に導き、該熱風を下記（イ）及び／又は（ロ）の形態で用いる。
   （イ）熱風を燃焼用空気及び／又は燃料ガスの予熱用熱媒として用いる。
   （ロ）熱風を燃焼用空気に混合する。
   （ii）熱風炉（１x）及び熱風炉（１y）の同時送風時には、両熱風炉（１x），（１y）で発生した熱風の混合割合を調整することで熱風温度を制御するとともに、高炉に送風しない余剰分の熱風を、燃焼工程にある他の熱風炉に導き、該熱風を下記（イ）及び／又は（ロ）の形態で用いる。
   （イ）熱風を燃焼用空気及び／又は燃料ガスの予熱用熱媒として用いる。
   （ロ）熱風を燃焼用空気に混合する。
2. 混冷を行うことで、熱風温度を補完的に制御することを特徴とする請求項１に記載の熱風炉設備の操業方法。
3. 混冷を行うことなく熱風温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の熱風炉設備の操業方法。

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