JP5775476B2 - 高炉羽口からの還元性ガス吹き込み方法及び吹き込みランス - Google Patents

Description

本発明は、高炉羽口からの還元性ガス吹き込み方法及び吹き込みランスに関する。

従来、製鉄所の高炉においては、燃料として、主にコークスを使用してきたが、コークスの原料である高粘結炭の枯渇に対応し、微粉炭（以下、ＰＣと記す。）の使用量を増加させてきた。高炉へのＰＣ吹き込み方法は、高炉への熱風吹き込み管であるブローパイプにＰＣ吹き込みパイプを挿入し、高炉羽口に吹き込み、羽口前レースウェイでＰＣを燃焼させる方法が一般的である。

一方、近年、地球環境保護の観点から、二酸化炭素の排出低減の必要性が増大し、高炉における二酸化炭素の削減策が、検討されている。高炉で燃焼されるコークス及びＰＣは、主成分である炭素が燃焼し、羽口前レースウェイ内で一酸化炭素となり、高炉内を上昇する際に鉄鉱石を還元し、二酸化炭素となって炉頂より排出される。
ここで、炭素が主成分であるコークス及びＰＣに替わり、水素とメタンを大量に含むコークス炉ガス（以下、ＣＯＧと記す。）、天然ガス（以下、ＬＮＧと記す。）、又は、ＣＯＧを改質した水素ガス等を高炉に吹き込むことにより、高炉から排出される二酸化炭素の低減が期待できる。

従来、製鉄所における冶金炉にＰＣ及びＬＮＧ等を吹き込む技術としては、転炉の上吹き及び底吹きランスがある（特許文献１）。
転炉における上吹きランスは、多重管ランスから酸素、ＰＣ及びＬＮＧ等を転炉内の溶湯表面に吹き付けるものであり、底吹きランスは、多重管ランスから酸素、ＰＣ及びＬＮＧ等を転炉内の溶湯内に吹き込むものである。

特開平６−２１３５７７号公報

前記転炉において吹き込まれた酸素、ＰＣ及びＬＮＧ等は、燃焼による発熱と同時に溶湯内の炭素を燃焼して銑鉄を鋼に精錬することを目的としている。
これに対し、本発明が課題とする高炉へのＣＯＧ、ＬＮＧ、又は、水素ガスの吹き込みは、高炉への熱風吹き込み管であるブローパイプに還元性ガス吹き込みパイプを挿入し、狭い羽口、およびレースウェイを通してＣＯＧ、ＬＮＧ、又は、水素ガス等を還元ガスとして炉内に吹き込むことを目的とする。従って、高炉へのＣＯＧ、ＬＮＧ、又は、水素ガスの吹き込みは、前記転炉における酸素、ＰＣ及びＬＮＧ等の吹き込みとは、産業上の利用分野が相違し、解決すべき課題も相違する。

ＣＯＧ、ＬＮＧ、又は、水素ガス等の還元性ガスを高炉に吹き込む場合、高炉への熱風吹き込み管であるブローパイプに還元性ガス吹き込みパイプを挿入し、高炉羽口を通して炉内に吹き込む方法が考えられる。還元性ガスが送風空気中の酸素と接触するとガスは燃焼し、ＣＯ_２やＨ_２Ｏに酸化されて還元性を失う。炭化水素系のガスは羽口先からレースウェイ内ではＣＯとＨ_２までの部分燃焼にとどめ、高炉炉内で酸化鉄を還元させる還元性を保つことが期待される。そこで、吹き込まれた還元性ガスと送風空気中の酸素との接触をできるだけ避けて、ガスはできるだけ燃焼させないで還元性を保ったままレースウェイを抜けて高炉炉内に入ることを可能にするランス構造が望ましい。
又、高炉羽口からＰＣと共にＣＨ_４やＨ_２などの還元性ガスを吹き込む場合、還元性ガス、送風空気中の酸素と接触すると、ガス−ガス反応となるため微粉炭に先行して燃焼してしまい、ガスはＣＯ_２やＨ_２Ｏに酸化されて還元性を失う。一方、微粉炭はガスの方に酸素を取られて燃焼不足となり未燃チャーが残るなどの現象が起こる。そこで、吹き込まれた還元性ガスと送風中の酸素との接触をできるだけ避けて、送風中の酸素は、微粉炭との燃焼に優先させ、還元性ガスは、燃焼することなく還元性を保ったままレースウェイを抜けて高炉炉内に入ることが可能なランス構造が望ましい。
本発明の目的は、還元性ガスの還元性を保ったまま高炉炉内に入ることを可能にする高炉羽口からの還元性ガス吹き込み方法及び吹き込みランスを提供することである。

本発明者は、ランスの中心部から還元性ガスを吹き込み、その外側から窒素を吹き込むことにより、還元性ガスの先行燃焼を抑制し、還元性を保ったまま高炉内に還元性ガスを吹き込むことができることを見出した。本発明は、この知見に基づいて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）高炉羽口から３重管ランスを用いて還元性ガスを吹き込む方法であって、前記３重管ランスの先端が羽口とすりあわされて接続されており、
中心部管から還元性ガス、中間部管から窒素ガス、さらにその外側の外周部管から酸素富化した空気を吹き込むことを特徴とする高炉羽口からの還元性ガス吹き込み方法。
（２）前記３重管ランスの外周部管に合流する微粉炭吹き込み単管から微粉炭を吹き込むことを特徴とする（１）に記載の高炉羽口からの還元性ガス吹き込み方法。
（３）前記還元性ガスに対する前記窒素ガスの体積流量比率が１．２５以上であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の高炉羽口からの還元性ガス吹き込み方法。
（４）高炉羽口から還元性ガスを吹き込む３重管ランスであって、前記３重管ランスの先端が羽口とすりあわされて接続されており、
中心部管から還元性ガス、中間部管から窒素ガス、さらにその外側の外周部管から酸素富化した空気を吹き込むことを特徴とする高炉羽口からの還元性ガス吹き込みランス。
（５）前記還元性ガス吹き込み用ランスの外周部管内に微粉炭吹き込みノズルを合流させることを特徴とする（４）に記載の高炉羽口からの還元性ガス吹き込みランス。
（６）前記還元性ガスに対する前記窒素ガスの体積流量比率が１．２５以上であることを特徴とする（４）又は（５）に記載の高炉羽口からの還元性ガス吹き込みランス。

本発明は、還元性ガスの還元性を保ったまま高炉炉内に入ることを可能にする高炉羽口からの還元性ガス吹き込み方法及び吹き込みランスを提供することができる。

還元性ガス吹き込みの３重管ランスを示す図。 微粉炭及び還元性ガス吹き込みの３重管ランスを示す図。 レースウェイ模擬燃焼実験装置を示す図。 レースウェイ模擬燃焼実験装置の温度計の配置を示す図。（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図を示す。 還元性ガス吹き込み時のレースウェイ温度を示す図。 微粉炭及び還元性ガス吹き込み時のレースウェイ温度を示す図。 微粉炭及び還元性ガス吹き込み時の未燃チャーの炉芯内残留量を示す図。

［第一の実施形態］
高炉羽口から３重管ランスを用いて還元性ガスを吹き込む実施形態である。中心部から還元性ガス、中間部から窒素、さらにその外側（外周部）から酸素富化した空気を吹き込む。還元性ガスとしては、ＣＯＧ、ＬＮＧ、水素ガス又はメタンガス等がある。
図１に還元性ガス吹き込みの３重管ランスの一例を示す。還元性ガスは、中心部管１から吹き込まれ、窒素は、中間部管２から吹き込まれ、酸素富化した送風は、外周部管３から高炉内に吹き込まれる。中心部管１から吹き込まれた還元性ガスと、酸素富化した送風は、中間部管２から吹き込まれた窒素により遮断されているため、還元性ガスが早期に燃焼することは無い。そこで、還元性ガスは還元性を保ったままレースウェイを抜けて高炉炉内に入ることが可能となる。
［第二の実施形態］
高炉羽口から３重管ランスを用いて還元性ガスとＰＣを吹き込む実施形態である。中心部から還元性ガス、その中間部から窒素、さらにその外側（外周部）から酸素富化した空気を吹き込み、ＰＣは、別の単管から吹き込む。ＰＣの吹き込み量が多い場合は、ＰＣ吹き込み単管は、複数本になる。
図２にＰＣ及び還元性ガス吹き込みの３重管ランスの一例を示す。還元性ガスは、中心部管１から吹き込まれ、窒素は、中間部管２から吹き込まれ、酸素富化した送風は、外周部管３から高炉内に吹き込まれ、ＰＣは、ＰＣ吹き込み単管４から吹き込まれる。中心部管１から吹き込まれた還元性ガスと、酸素富化した送風は、中間部管２から吹き込まれた窒素により遮断されているため、還元性ガスが早期に燃焼することは無い。還元性ガスは還元性を保ったままレースウェイを抜けて高炉炉内に入ることが可能となる。そして、ＰＣの燃焼は、酸素濃度が高い雰囲気で行われ、その結果、微粉炭のＣが燃え残って炉芯に蓄積する量が減少する。

次に、本発明の実施例について説明するが、本発明は、これに限られるものではない。

図３にレースウェイ模擬燃焼実験装置を示す。炉は、下部炉５と中部炉６からなり、試験終了後の下部炉５の炉内容物のサンプリングの便宜のため、中部炉６は、取り外し可能である。コークスは、中部炉６の上部より装入される。コークスと、下部炉の羽口７から吹き込まれたＣＯＧ、ＬＮＧ、又は、水素ガス等の還元性ガスは、羽口前レースウェイ８で燃焼する。燃焼試験中は、羽口前レースウェイ８の温度を測定し、試験終了後は、レースウェイの解体調査を行い、微粉炭の未燃チャーを調べる。
図４にレースウェイ模擬燃焼実験装置の温度計の配置を示す。（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図を示す。温度計９は、上下２段の合計１０箇所を測定する。
（実施例１）
メタン及び水素から成る還元性ガスを羽口から吹き込む実験を行った。吹き込みの条件を表１に示す。比較例１（Ａ）は、送風のみで、還元性ガス吹き込みが無い場合である。比較例２（Ｂ）は、送風ブローパイプの中にあるガス吹き込み単管から還元性ガスを吹き込む場合である。実施例１（Ｃ）は、本願請求項１に係る発明の３重管により、還元性ガスを吹き込む場合である。
実施例１（Ｃ）では、図２に示す還元性ガス吹き込みの３重管ランスを用いた。中心部管１から還元性ガス、中間部管２から窒素、外周部管３から酸素富化した空気を吹き込んだ。

図５に羽口前レースウェイの温度を示す。
まず、比較例１（Ａ）について述べる。比較例１（Ａ）で、酸素富化した送風によりコークスだけを燃焼させる場合は、次の反応が起きる。
Ｃ＋Ｏ_２→ＣＯ_２ （１）
ＣＯ_２＋Ｃ→２ＣＯ （２）
コークスは、（１）式の発熱反応により燃焼し、燃焼による発熱でレースウェイ内のガス温度が上昇する。Ｏ_２がほとんどなくなると（２）式の吸熱反応が起こって温度が低下するが、この反応は、比較的緩やかに起こる。その結果、図５のＡに示すレースウェイ内の温度が測定された。

次に、比較例２（Ｂ）について述べる。比較例２（Ｂ）の、還元性ガス（ＣＨ_４，Ｈ_２）をガス吹き込み単管により羽口先端位置に吹き込んだ場合、前記（１）式、（２）式の他に、次の反応が起きる。
ＣＨ_４＋２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ （４）
Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ （５）
Ｈ_２Ｏ＋Ｃ→Ｈ_２＋ＣＯ （３）
ＣＨ_４＋ＣＯ_２→ ＣＯ＋２Ｈ_２ （６）
吹き込まれたＣＨ_４、Ｈ_２ガスは、コークスの燃焼に先行して、（４）式、（５）式の反応により燃焼発熱し、その後、（１）式によるコークスの燃焼も加速して高温になる。レースウェイ内の最高温部は、早期に燃焼する還元性ガスにより、比較例１（Ａ）の場合よりも羽口側に移動する。最高温部より先のレースウェイ奥側では、（２）式、（３）式の吸熱反応が開始する。（２）式、（３）式の反応で生成した還元性ガス（ＣＯ，Ｈ_２）およびレースウェイで昇温されたＮ_２ガスは、（２）式、（３）式が吸熱反応であること、燃焼生成ガスから周囲のコークスに伝熱すること及び炉壁からの熱損失によりガス温度は低下していく。その結果、図５のＢに示すレースウェイ内の温度が測定された。

次に、実施例１（Ｃ）について述べる。本発明の３重管（図２参照）を使って還元性ガスを吹き込み、送風した。３重管の中間部管２から窒素ガスを１０ＮＭ^３／ＨＲ吹いているため、送風中のＮ_２が１０ＮＭ^３／ＨＲ少なくなるように送風量を調整し、送風中のＯ_２量がＡ，Ｂと同じになるように酸素富化率を調整した。また、３重管ランスの中央管から吹き込んでいる窒素ガスは常温のため、送風顕熱を維持するように送風温度を高めた。
中心部管１から吹き込まれた還元性ガス（ＣＨ_４，Ｈ_２）は、中間部管２から吹き込まれた窒素ガスにより、外周部管３から吹き込まれた酸素富化空気（熱風）との接触が妨げられ燃焼が遅れる。その結果、コークスと酸素富化空気（熱風）の燃焼が先行し、比較例１（Ａ）に近い温度分布となる。一部の吹き込みガスが酸素富化空気と反応するのでわずかに比較例１（Ａ）から比較例２（Ｂ）のパターンに近づくが、比較例２（Ｂ）に比べると最高温部はかなり奥側に戻り、レースウェイ奥での温度降下も緩和されている。したがって、吹き込まれたＨ_２は多くが（５）式から（３）式の反応経路を経ることなく未反応のＨ_２のまま昇温し、ＣＨ_４は（４）式から（２）式、（３）式の経路を経ることなくレースウェイ奥側で（６）式の反応により還元性ガスになっていると考えられる。
このためガスからのヒートロスが少なくなり、ボッシュガス（（２）式（６）式の反応で生成した還元性ガス（ＣＯ，Ｈ_２）および吹き込まれたＨ_２ガスおよびレースウェイで昇温されたＮ_２）の顕熱が多く確保できる。以上のことより、図５のＣに示すレースウェイ内の温度が測定された。

（実施例２）
メタン及び水素から成る還元性ガスとＰＣを羽口から吹き込む実験を行った。吹き込みの条件を表２に示す。比較例３（Ｄ）は、ＰＣのみの吹き込みであり、還元性ガス吹き込みが無い場合である。比較例４（Ｅ）は、送風ブローパイプの中にある２重管の内管からＰＣを、外管から還元性ガスを吹き込む場合である。実施例２（Ｆ）は、本願請求項２に係る発明の３重管により、還元性ガスを吹き込む場合である。図２に示すＰＣ及び還元性ガス吹き込みの３重管ランスを用いた。中心部管１から還元性ガス、中間部管２から窒素、さらに外周部管３から酸素富化した空気を吹き込み、ＰＣは、別のＰＣ吹き込み単管から吹き込む。中心部管１から吹き込まれた還元性ガスは、外周部管３から吹き込まれた酸素富化した送風と、中間部管２から吹き込まれた窒素により遮断されているため、還元性ガスが早期に燃焼することは無い。従って、ＰＣの燃焼は、還元性ガスにより送風中の酸素がとられることが無いため、還元性ガスに先行して行われると考えられる。

図６に微粉炭及び還元性ガス吹き込み時のレースウェイ温度を示す。

まず、比較例３（Ｄ）について述べる。比較例３（Ｄ）の微粉炭のみ吹き込んだ場合は、次の反応が起きる。
ＰＣ＋ＸＯ_２→ＹＣＯ_２＋ＺＨ_２Ｏ （７）
ＣＯ_２＋Ｃ→２ＣＯ （８）
Ｈ_２Ｏ＋Ｃ→Ｈ_２＋ＣＯ （９）
まずＰＣは、（７）式の反応で燃焼し、発熱によりガス温度が上昇する。Ｏ_２がほとんどなくなると（８）式（９）式の吸熱反応が起こって温度が低下するが、この反応は、比較的緩やかに起こる。その結果、図６のＤに示すレースウェイ内の温度が測定された。

次に、比較例４（Ｅ）について述べる。ＰＣおよび還元性ガス（ＣＨ_４，Ｈ_２）を、２重管ランスで吹き込んだ場合、下記式の反応が起こる。
ＣＨ_４＋２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ （１０）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ （１１）
吹き込まれた還元性ガス（ＣＨ_４、Ｈ_２）は、（１０）式、（１１）式の発熱反応で先行的に燃焼発熱し、（７）式によるＰＣの燃焼も加速して高温になる。レースウェイ内の最高温部は、比較例３（Ｄ）の場合よりも羽口側に移動する。最高温部より先のレースウェイ奥側では、（８）式、（９）式の吸熱反応が開始する。（８）式、（９）式の反応で生成した還元性ガス（ＣＯ，Ｈ_２）およびレースウェイで昇温されたＮ_２ガスは、（８）式、（９）式が吸熱反応であること、燃焼生成ガスから周囲のコークスに伝熱すること及び炉壁からの熱損失によりガス温度は低下していく。羽口からの距離が遠いレースウェイ奥側では比較例３（Ｄ）より温度が下がってしまう。その結果、図６のＥに示すレースウェイ内の温度が測定された。
また、実験終了後に装置を解体してレースウェイ奥（炉芯）のコークス部位に残っていた未燃チャーを採取した。図７に微粉炭及び還元性ガス吹き込み時の未燃チャーの炉芯内残留量を示す。
比較例４（Ｅ）では、比較例３（Ｄ）に比べて多量の未燃チャーが残存していた。これは（１０）式、（１１）式の反応で酸素がガスの燃焼に先に消費されため、ＰＣを燃やすための酸素が不足し、続いて起こる（８）式、（９）式の反応では、ＰＣ中のＣより高温のコークスのＣが先行して使われるため、ＰＣのＣが燃え残って炉芯に蓄積したものと推定される。

次に、実施例２（Ｆ）について述べる。３重管ランスの中心部管１から窒素ガスを１０ＮＭ^３／ＨＲ吹いているため、送風中のＮ_２が１０ＮＭ^３／ＨＲ少なくなるように送風量を調整し、送風中のＯ_２量が比較例３（Ｄ）、比較例４（Ｅ）と同じになるように酸素富化率を調整した。また、３重管ランスの中心部管１から吹き込んでいる窒素ガスは常温のため、送風顕熱を維持するように送風温度を高めた。ＰＣ吹き込み単管４は、図２に示すように２本を使用して３重管の外周部管３を通して吹き込んだ。この吹き込みを行った結果、図６のＦに示すレースウェイ内の温度が測定された。還元性ガス（ＣＨ_４，Ｈ_２）と酸素富化空気（熱風）は、間にある不活性な窒素により接触が妨げられて、ＰＣは、外周部管３の酸素富化空気（熱風）と還元性ガスに先行して反応し、比較例３（Ｄ）に近い温度分布と成った。一部のガスが酸素富化空気と反応するのでわずかに比較例３（Ｄ）から比較例４（Ｅ）のパターンに近づくが、比較例４（Ｅ）に比べると最高温部はかなり奥側に戻り、レースウェイ奥での温度降下も緩和されている。
実験終了後に装置を解体してレースウェイ奥（炉芯）のコークス部位に残っていた未燃チャーを採取した。図７に示す実施例２（Ｆ）のＦに示す未燃チャーは、比較例４（Ｅ）のＥに比べて少なく、ほぼ比較例３（Ｄ）のＤに近い量であった。微粉炭の燃焼が還元性ガスに酸素を取られて妨げられることなく、燃焼できたことを示している。

還元性ガスの還元性を保ったまま高炉炉内に入ることを可能にする高炉羽口からの還元性ガス吹き込み方法及び吹き込みランスを提供することができる。

１…中心部管、２…中間部管、３…外周部管、４…ＰＣ吹き込み単管、５…下部炉、６…中部炉、７…羽口、８…レースウェイ、９…温度計。

Claims (6)

1. 高炉羽口から３重管ランスを用いて還元性ガスを吹き込む方法であって、前記３重管ランスの先端が羽口とすりあわされて接続されており、
   中心部管から還元性ガス、中間部管から窒素ガス、さらにその外側の外周部管から酸素富化した空気を吹き込むことを特徴とする高炉羽口からの還元性ガス吹き込み方法。
2. 前記３重管ランスの外周部管に合流する微粉炭吹き込み単管から微粉炭を吹き込むことを特徴とする請求項１に記載の高炉羽口からの還元性ガス吹き込み方法。
3. 前記還元性ガスに対する前記窒素ガスの体積流量比率が１．２５以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉羽口からの還元性ガス吹き込み方法。
4. 高炉羽口から還元性ガスを吹き込む３重管ランスであって、前記３重管ランスの先端が羽口とすりあわされて接続されており、
   中心部管から還元性ガス、中間部管から窒素ガス、さらにその外側の外周部管から酸素富化した空気を吹き込むことを特徴とする高炉羽口からの還元性ガス吹き込みランス。
5. 前記還元性ガス吹き込みランスの外周部管内に微粉炭吹き込み用ノズルを合流させることを特徴とする請求項４に記載の高炉羽口からの還元性ガス吹き込みランス。
6. 前記還元性ガスに対する前記窒素ガスの体積流量比率が１．２５以上であることを特徴とする請求項４又は５に記載の高炉羽口からの還元性ガス吹き込みランス。

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