JP5923968B2 - 高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉羽口から微粉炭を吹込んで、燃焼温度を上昇させることにより生産性の向上及び排出ＣＯ_２の低減を図る高炉の操業方法に関するものである。

近年、炭酸ガス排出量の増加による地球温暖化が問題となっており、製鉄業においても排出ＣＯ_２の抑制は重要な課題である。高炉は、主にコークス及び羽口から吹込む微粉炭を還元材として使用しており、事前処理により生じる炭酸ガス排出量の差から、できるだけコークスよりも微粉炭を使用することが排出ＣＯ_２の抑制につながる。例えば、下記特許文献１では、微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上、揮発分が２５ｍａｓｓ％以下の微粉炭を用い、羽口から燃料を吹込むためのランスに微粉炭と酸素を供給し、ランス中の酸素濃度を７０ｖｏｌ％以上とすることで、燃焼効率を向上することができるとしている。また、この特許文献１では、ランスが単管である場合には、酸素と微粉炭の混合物をランスから吹込みランスが二重管である場合には、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、二重管ランスの外側管から酸素を吹込むことも提案されている。なお、微粉炭比とは、銑鉄１ｔあたりに使用される微粉炭の質量である。

また、下記特許文献２では、二重管ランスの外側管に凹凸を設けて微粉炭を分散させ、微粉炭と酸素の反応を促進するようにしている。
また、下記特許文献３では、内側管から微粉炭を吹込み、外側管から酸素を吹込む二重管ランスを二本対向配置して用い、二本の二重管ランスの中心軸の延長線が交差せず、且つ送風管（ブローパイプ）の中心とも交差しないようにすることで、燃焼性を高めるようにしている。また、外側管からのランス中心に対する酸素の吹出し角度を３０°以上とすることで、酸素を微粉炭の主流線に近づけるようにもしている。なお、ランスと送風管のなす角度（送風方向に対するランスの吹込み角度）は４５°よりも大きな角度となっている。

また、下記特許文献４では、内側管から微粉炭を吹込み、外側管から酸素を吹込む二重管ランスを二本対向配置して用い、夫々のランスの先端部を羽口縮径部の小径部より炉内側に位置するようにしている。

特許第４０７４４６７号公報 韓国特許公開公報２００２−０００４７３５９ 特開平１０−２５１７１５号公報 特開２０００−１９２１１９号公報

羽口には大量の空気が送風されているものの、ランスは高温に晒される恐れがあり、前記特許文献１に記載されるように、単管ランスに高濃度の酸素と微粉炭の混合物を供給するのは安全面から現実的でない。また、更なる排出ＣＯ_２の低減が要求されていることから、例えば微粉炭比を１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上とすることが望まれているが、微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上の高微粉炭比では、前記特許文献１に記載されるように、単に二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管から酸素を吹込んでも、燃焼温度が飽和してしまって燃焼効率が高くならない。

また、二重管ランスの外側管に流れるガスは当該外側管の冷却の役目も担っているため、前記特許文献２に記載されるように、外側管に設けられた凹凸のようにガスの流れを妨げるものが存在する場合、流れが弱い部分に熱負荷がかかり、割れや溶損などの損耗が生じる可能性がある。このような損耗が発生した場合、逆火やランスの詰まりなどを誘発する恐れがある。また、微粉炭量が増加すると、内側管から噴出する微粉炭により凸部の摩耗発生を避けられない問題がある。

また、前記特許文献３に記載されるように、ランスと送風管のなす角度（送風方向に対するランスの吹込み角度）は４５°よりも大きな角度である場合、ランスを沿って流れる熱風がランス先端部で乱れ、微粉炭が必要以上に分散し、微粉炭の付着や衝突により、羽口や送風管が破損する恐れがある。また、外側管からのランス中心に対する酸素の吹出し角度を３０°以上とするためには、ランス先端部の加工が難しく、また微粉炭の付着やつまりに起因するランスの溶損が生じやすいために実用的ではない。

また、前記特許文献４に記載されるように、ランスの先端部を羽口縮径部の小径部より炉内側に位置すると、縮径部を通った熱風の流れの乱れにより微粉炭が必要以上に分散し、羽口や送風管が破損する恐れがある。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、羽口や送風管を破損することなく、燃焼温度を向上することができ、その結果、排出ＣＯ_２の低減を可能とする高炉操業方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に係る発明は、揮発分が２５ｍａｓｓ％以下の微粉炭を準備し、羽口から微粉炭と支燃性ガスを吹込むための、内側管と外側管とを有する二本の二重管ランスを準備し、前記羽口から熱風を吹込み、前記二本の二重管ランスの内側管から１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上の微粉炭比で前記微粉炭を搬送ガスと共に吹込み、前記二本の二重管ランスの外側管から支燃性ガスを吹込み、前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が３５ｖｏｌ％以上である、高炉操業方法である。

また、本発明のうち請求項２に係る発明は、前記二本の二重管ランスから吹込まれる微粉炭流が重ならないように微粉炭を吹込む請求項１に記載の高炉操業方法である。
また、本発明のうち請求項３に係る発明は、前記二本の二重管ランス先端部の軸線が交差しないようにした請求項２に記載の高炉操業方法である。
また、本発明のうち請求項４に係る発明は、前記二重管ランスの送風管への挿入角度が４５°以下である請求項１に記載の高炉操業方法である。

また、本発明のうち請求項５に係る発明は、前記支燃性ガスは酸素であり、送風に富化する酸素の一部を前記二重管ランスの外側管から吹込む請求項１に記載の高炉操業方法である。
また、本発明のうち請求項６に係る発明は、前記微粉炭が、３ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の揮発分を有する請求項１に記載の高炉操業方法である。

また、本発明のうち請求項７に係る発明は、前記二重管ランスの外側管から吹込まれる支燃性ガスが、２０〜１２０ｍ／ｓｅｃの出口流速を有する請求項１に記載の高炉操業方法である。
また、本発明のうち請求項８に係る発明は、前記微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上である請求項１に記載の高炉操業方法である。

また、本発明のうち請求項９に係る発明は、前記微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上であり、前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が３５ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％未満である、請求項１に記載の高炉操業方法である。
また、本発明のうち請求項１０に係る発明は、前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が４０ｖｏｌ％以上６５ｖｏｌ％以下である請求項９に記載の高炉操業方法である。

また、本発明のうち請求項１１に係る発明は、前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が４５ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％以下である請求項１０に記載の高炉操業方法である。
また、本発明のうち請求項１２に係る発明は、前記微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上３００ｋｇ／ｔ−銑鉄以下である請求項８に記載の高炉操業方法である。

また、本発明のうち請求項１３に係る発明は、前記微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上３００ｋｇ／ｔ−銑鉄以下である請求項９に記載の高炉操業方法である。
また、本発明のうち請求項１４に係る発明は、前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が３５ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％未満である請求項１に記載の高炉操業方法である。

また、本発明のうち請求項１５に係る発明は、前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が４０ｖｏｌ％以上６５ｖｏｌ％以下である請求項１４に記載の高炉操業方法である。
また、本発明のうち請求項１６に係る発明は、前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が４５ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％以下である請求項１５に記載の高炉操業方法である。

また、本発明のうち請求項１７に係る発明は、前記微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上３００ｋｇ／ｔ−銑鉄以下である請求項１に記載の高炉操業方法である。
また、本発明のうち請求項１８に係る発明は、前記微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄未満である請求項１に記載の高炉操業方法である。
また、本発明のうち請求項１９に係る発明は、前記微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄未満であり、前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が３５ｖｏｌ以上７０ｖｏｌ％未満である、請求項１に記載の高炉操業方法である。

また、本発明のうち請求項２０に係る発明は、前記微粉炭に、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材、ＣＤＱ集塵コークスからなるグループのうち、少なくとも１つを加える請求項１乃至１９の何れか一項に記載の高炉操業方法である。
また、本発明のうち請求項２１に係る発明は、前記微粉炭の割合を８０ｍａｓｓ％以上として、前記廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材、ＣＤＱ集塵コークスを使用する請求項２０に記載の高炉操業方法である。

而して、本発明の高炉操業方法によれば、羽口から燃料を吹込むためのランスを二重管とし、二本の二重管ランスの夫々の内側管から微粉炭を搬送ガスと共に吹込むと共に、二本の二重管ランスの夫々の外側管から支燃性ガスを吹込み、二重管ランス中の搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度を３５ｖｏｌ％以上とすることにより、微粉炭の揮発分が２５ｍａｓｓ％以下で且つ微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上の高微粉炭比操業であっても燃焼温度を高めることができ、その結果、排出ＣＯ_２を低減することができる。また、微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上である場合には、二重管ランス中の搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度を７０ｖｏｌ％未満とすることにより、酸素などの支燃性ガスの原単位を抑制することができる。

また、二本の二重管ランスの内側管から吹込まれる微粉炭流が重ならないように微粉炭を吹込むことにより、微粉炭流の濃化を防止して燃焼効率を確保することができる。
また、二本の二重管ランス先端部の軸線が交差しないようにしたことにより、二本の二重管ランスの内側管から吹込まれる微粉炭流を確実に重ならないようにすることができる。

また、二重管ランスの送風管への挿入角度を４５°以下としたことにより、ランス先端から噴出される噴流の乱れを抑制することができる。
また、送風に富化する酸素の一部を支燃性ガスとして二重管ランスの外側管から吹込むことにより、高炉内のガスバランスを損なうことがなく、酸素の過剰供給を回避することができる。

本発明の高炉操業方法が適用された高炉の一実施形態を示す縦断面図である。 図１のランスから微粉炭だけを吹込んだときの燃焼状態の説明図である。 図２の微粉炭の燃焼メカニズムの説明図である。 微粉炭と酸素を吹込んだときの燃焼メカニズムの説明図である。 燃焼実験装置の説明図である。 微粉炭流の濃化の説明図である。 図１のランスの吹込み先端部の詳細図である。 図７のランス及びストレート管からなるランスの微粉炭流の説明図である。 微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄未満であるときのランス供給ガス中の酸素濃度と燃焼率の関係を示すグラフである。 微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上であるときのランス供給ガス中の酸素濃度と燃焼率の関係を示すグラフである。 送風管に対するランスの挿入角度の説明図である。 ランス先端と羽口先端内面との径方向の距離をグラフ化した説明図である。 ランスの出口流速とランス表面温度の関係を示す説明図である。

次に、本発明の高炉操業方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の高炉操業方法が適用された高炉の全体図である。図に示すように、高炉１の羽口３には、熱風を送風するための送風管２が接続され、この送風管２を貫通してランス４が設置されている。羽口３の熱風送風方向先方のコークス堆積層には、レースウエイ５と呼ばれる燃焼空間が存在し、主として、この燃焼空間で還元材の燃焼、ガス化が行われる。

図２には、ランス４から固体還元材として微粉炭６だけを吹込んだときの燃焼状態を示す。ランス４から羽口３を通過し、レースウエイ５内に吹込まれた微粉炭６は、コークス７と共に、その揮発分と固定炭素が燃焼し、揮発分が放出されて残った、一般にチャーと呼ばれる炭素と灰分の集合体は、レースウエイから未燃チャー８として排出される。羽口３の熱風送風方向先方における熱風速度は約２００ｍ／ｓｅｃであり、ランス４の先端からレースウエイ５内における酸素の存在領域は約０．３〜０．５ｍとされているので、実質的に１／１０００秒のレベルで微粉炭粒子の昇温及び酸素との接触効率（分散性）の改善が必要となる。

図３は、ランス４から送風管２内に微粉炭（図ではＰＣ：Pulverized Coal）６のみを吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。羽口３からレースウエイ５内に吹込まれた微粉炭６は、レースウエイ５内の火炎からの輻射伝熱によって粒子が加熱し、更に輻射伝熱、伝導伝熱によって粒子が急激に温度上昇し、３００℃以上昇温した時点から熱分解が開始し、揮発分に着火して火炎が形成され、燃焼温度は１４００〜１７００℃に達する。揮発分が放出してしまうと、前述したチャー８となる。チャー８は、主に固定炭素であるので、燃焼反応と共に、ソリューションロス反応、水素ガスシフト反応といった炭素溶解反応と呼ばれる反応も生じる。

図４は、ランス４から送風管２内に微粉炭６と共に支燃性ガスとして酸素９を吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。微粉炭６と酸素９の吹込み方法は、単純に平行に吹込んだ場合を示している。なお、図中の二点鎖線は、図３に示した微粉炭のみを吹込んだ場合の燃焼温度を参考に示している。このように微粉炭と酸素を同時に吹込む場合、ランス近傍で微粉炭と酸素との混合が促進され、より早期から微粉炭の燃焼が開始するものと考えられ、これによりランスに近い位置で燃焼温度が更に上昇する。

このような知見に基づき、図５に示す燃焼実験装置を用いて燃焼実験を行った。高炉内部を模擬して実験炉１１内にはコークスが充填されており、覗き窓からレースウエイ１５の内部を観察することができる。送風管１２にはランス１４が差し込まれ、熱風炉から高炉へ送風する熱風として燃焼バーナ１３で生じた熱風を実験炉１１内に所定の送風量で送風することができるようになっている。また、この送風管１２では、送風の酸素富化量を調整することも可能である。ランス１４は、微粉炭及び酸素の何れか一方又は双方を送風管１２内に吹込むことができる。実験炉１１内で生じた排ガスは、サイクロンと呼ばれる分離装置１６で排ガスとダストに分離され、排ガスは助燃炉などの排ガス処理設備に送給され、ダストは捕集箱１７に捕集される。

微粉炭の諸元は、固定炭素（ＦＣ：Fixed Carbon）７１．４％、揮発分（ＶＭ：Volatile Matter）１９．５％、灰分（Ａｓｈ）９．１％である。送風条件は、送風温度１２００℃、流量３００Ｎｍ^３／ｈ、羽口先風速１３０ｍ／ｓ、酸素富化６％（酸素濃度２７．０％、空気中酸素濃度２１％に対し、６．０％の富化）とした。微粉炭吹込み条件として、ランス１４には二重管ランスを用い、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、二重管ランスの外側管から支燃性ガスとして酸素を吹込んだ。微粉炭は搬送ガスと共に吹込まれ、微粉炭の搬送ガスには窒素を用いた。なお、微粉炭と、微粉炭を搬送する搬送ガスの固気比は、少ないガス量で粉体、つまり微粉炭を輸送する方式（高濃度搬送）では固気比１０〜２５ｋｇ／Ｎｍ³、多量のガスで輸送する方式（低濃度搬送）では固気比５〜１０ｋｇ／Ｎｍ³である。搬送ガスには窒素の他、空気を用いることもできる。そして、微粉炭比を１００ｋｇ／ｔ−銑鉄〜１８０ｋｇ／ｔ−銑鉄の間で種々に変更して、特に微粉炭流の変化について実験した。なお、支燃性ガスとして酸素を吹込む場合には、送風に富化する酸素の一部を用い、炉内に吹込まれる酸素の総量が変化しないようにした。また、支燃性ガスとしては酸素富化空気を用いることもできる。

この実験を通じて、本発明者等は更に以下の知見を得た。即ち、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管から支燃性ガス、即ち酸素を吹き込む場合、微粉炭の揮発分が２５ｍａｓｓ％以下であっても、微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄未満の低い微粉炭比操業であれば、酸素濃度を高めることで燃焼温度が高くなる。しかしながら、微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上の高微粉炭比操業では、酸素濃度を高めても燃焼温度が高くならない。微粉炭比１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上の領域では、酸素濃度３５ｖｏｌ％程度で燃焼温度が飽和してしまう。これは、後述するように、二重管ランスの内側管から吹込まれる微粉炭が吹込み流の中央部分に集中（濃化ともいう）し、二重管ランスの外側管から吹込まれる酸素と接触しにくくなる、或いは接触しなくなるためである。そこで、本発明では、二重管ランスを二本用い、夫々の二重管ランスの内側管から吹込まれる微粉炭の量を少なくする。一方、二重管ランスを二本用いた場合でも、微粉炭比１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上の領域では、酸素濃度７０ｖｏｌ％程度で燃焼温度が飽和してしまって高くならない。つまり、それ以上、酸素濃度を高めても、酸素原単位が増すだけで燃焼効率は高くはならない。

図６ａには、微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄未満の低微粉炭比操業状態における微粉炭流を示す。実験では、ランスの形状が一定径のストレート管であるため、微粉炭の分散幅はほぼ一定である。このように微粉炭比が低い場合には、分散幅内で微粉炭流はほぼ均一な濃度となる。しかしながら、微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上の高微粉炭比操業状態では、図６ｂに示すように、分散幅内の中央部が濃化し、特に微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上の高微粉炭比操業状態では、微粉炭流の中央部が著しく濃化する。酸素は、二重管ランスの外側管から吹込まれるので、微粉炭流の中央部に濃化した微粉炭は酸素と接触せず、未燃焼のまま炉内に持ち込まれ、高炉内の通気を悪化させる。酸素との接触を促進するために酸素の吹込み量を増加しても、図６ｃに示すように、酸素の吹込み量が一定量以上になると、周囲の酸素流の中央部に一段と微粉炭流が濃化するだけで、酸素との接触は実質的に促進せず、後述するように燃焼温度は飽和する。

そこで、本実施形態では、図７に示すように、二重管ランス４を二本用い、それらの二重管ランス４の夫々の内側管から微粉炭を吹込み、夫々の外側管から支燃性ガスである酸素を吹込む。そのとき重要なのは、二本の二重管ランス４から吹込まれる微粉炭流が重ならないようにすることである。つまり、二つの微粉炭流が重ならないように二重管ランス４を配置する。具体的には、図７に示すように、二本の二重管ランス４の軸線、特にそれらの先端部の軸線が交差しないように二本の二重管ランス４を偏芯させて配置すればよい。

例えば、図８に示すように、二つの微粉炭流が重なってしまうと、重なった部分で微粉炭流が濃化し、酸素との接触が阻害され、燃焼温度が飽和する、或いは低下する恐れがある。二本の二重管ランス４から吹込まれる二つの微粉炭流が重ならなければ、夫々の二重管ランス４の微粉炭流の微粉炭量は単一のランスによる吹込みに比べ、１／２の微粉炭吹込み量となるため、燃焼温度が飽和しにくく、燃焼温度を向上することができ、その結果、微粉炭比を高め、排出ＣＯ_２を低減することができる。

但し、後述するように、二重管ランス４を二本用いた場合でも、微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上の領域では、前述した微粉炭流の濃化を抑制防止することが難しく、特に酸素濃度が７０ｖｏｌ％以上で燃焼温度が飽和してしまう。
図９には、微粉炭比１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄未満、微粉炭の揮発分２５ｍａｓｓ％以下、送風条件一定、酸素富化率一定で、二重管ランス４を一本だけ用いた場合と、二重管ランス４を二本用いた（偏芯あり）場合の燃焼温度を燃焼率で表した。何れも、二重管ランス４の内側管から微粉炭を吹込み、外側管から支燃性ガスとして酸素を吹込んだ。同図から明らかなように、二重管ランス４を一本だけ用いた場合には、ランス中の微粉炭を搬送する搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が３５ｖｏｌ％以上で燃焼温度が飽和してしまう。つまり、二重管ランス４が一本の場合には、酸素濃度を３５ｖｏｌ％以上にしても燃焼温度は高くならない。これに対し、二重管ランス４を二本偏芯して用いる場合には、搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が３５ｖｏｌ％以上でも燃焼温度が高くなる。これは、微粉炭比１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄未満の領域では、夫々の二重管ランス４から吹込まれる微粉炭流が濃化していないことを意味する。

しかし、一方、二重管ランス４を二本用いた場合でも、微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上である場合には、図１０に示すように、ランス中の搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が７０ｖｏｌ％以上となると、燃焼温度が飽和してしまい、それ以上、酸素濃度を高めても燃焼温度は高くならない。つまり、微粉炭比１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上の領域では、ランス中の搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が７０ｖｏｌ％以上で酸素原単位が増加するだけで、燃焼効率はよくならない。従って、二重管ランス４を二本用いる場合でも、微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上の場合にはランス中の搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度を７０ｖｏｌ％未満、好ましくは４０ｖｏｌ％以上６５ｖｏｌ％以下、より好ましくは４５ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％以下とする。なお、微粉炭比の上限は３００ｋｇ／ｔ−銑鉄以下、好ましくは２５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以下とする。

更に、本発明者等は、ランスと送風管のなす角度、即ち送風方向に対するランスの挿入角度について、ランス先端と羽口先端内面との径方向距離を変更しながら試験を行った。二重管ランスは同軸の二重管であり、前述のように直管（ストレート管）が好ましい。直管では、ランスと送風管のなす挿入角度、即ち送風方向に対するランスの挿入角度により、ランス先端から噴出される噴流の乱れがあることから、ランスと送風管の挿入角度を規定する必要がある。例えば、図１１ａに示すように、ランス４と送風管２の挿入角度（送風方向に対するランス４の挿入角度）θが小さい場合には、ランス４に沿って流れる熱風の流れの変化が緩やかであるため、ランス４に沿って流れる熱風のランス先端での乱れが小さく、微粉炭流の分散幅が小さい。一方、図１１ｂに示すように、ランス４と送風管２の挿入角度（送風方向に対するランス４の挿入角度）θが大きい場合には、ランス４に沿って流れる熱風の流れの変化が急なため、ランス４に沿って流れる熱風のランス先端での乱れが大きく、微粉炭流の分散幅が大きい。微粉炭流は、燃焼してから拡散すると燃焼温度が高くなるが、燃焼の前に分散すると燃焼温度が高くならず、燃焼効率がよくない。

これをランス先端と羽口先端内面との径方向距離とのマトリックスとしてグラフ化したのが図１２である。ランス先端と羽口先端内面との径方向の距離は、ランス先端が羽口先端内面から径方向外側に位置する場合を−（マイナス）、径方向内側に位置する場合を＋（プラス）で表した。このランス先端と羽口先端内面との径方向距離と、ランス４と送風管２の挿入角度（送風方向に対するランス４の挿入角度）θとのマトリックスで、微粉炭の燃焼性の良好な場合を○、良好でない場合を×で表した。ランス４と送風管２の挿入角度（送風方向に対するランス４の挿入角度）θが４５°以下である場合には、ランス先端が羽口先端内面より径方向内側にある場合には燃焼性の低下は見られないが、ランス４と送風管２の挿入角度（送風方向に対するランス４の挿入角度）θが４５°を超えると、ランス先端が羽口先端内面より径方向内側にあっても燃焼性の低下が見られる。このことから、ランス４と送風管２の挿入角度（送風方向に対するランス４の挿入角度）θは４５°以下とするのがよい。また、ランス先端が羽口先端内面の中心より下方の−（マイナス）位置では、ランスからの微粉炭流が羽口内面に当たるため×として表している。

なお、先端を曲げて先端部位が送風方向に沿うようにすれば、ランス先端から噴出される噴流の乱れを抑制することができる。迂曲させた先端部位が短い場合、内側管から吹込まれる微粉炭流と、外側管から吹込まれる酸素が乱れ易くなるため、迂曲させた先端部位は、少なくとも２００ｍｍ以上とする必要があり、好ましくは３００ｍｍ以上とするのがよい。

ところで、前述のような燃焼温度の上昇に伴って、二重管ランスの外側管は高温に晒され易くなる。ランスは、例えばステンレス鋼鋼管で構成される。ランスの外側には所謂ウォータージャケットと呼ばれる水冷が施されている例もあるが、ランス先端までは覆うことができない。特に、この水冷の及ばない二重管ランスの外側管の先端部が熱で変形し易いことが分かった。ランスが変形する、つまり曲がると所望部位にガスや微粉炭を吹込むことができないし、消耗品であるランスの交換作業に支障がある。また、微粉炭の流れが変化して羽口に当たることも考えられ、そのような場合には羽口が損傷する恐れがある。また、二重管ランスの外側管が曲がると、内側管との隙間が閉塞され、外側管からガスが流れなくなると、二重管ランスの外側管が溶損し、場合によっては送風管が破損する可能性もある。ランスが変形したり損耗したりすると、前述のような燃焼温度を確保することができなくなり、ひいては還元材原単位を低減することもできない。

水冷できない二重管ランスの外側管を冷却するためには、内部に流れるガスで冷却するしかない。内部に流れるガスに放熱して例えば二重管ランスの外側管自体を冷却する場合、ガスの流速がランス温度に影響を与えると考えられる。そこで、本発明者等は、二重管ランスの外側管から吹込まれるガスの流速を種々に変更してランス表面の温度を測定した。実験は、二重管ランスの外側管から酸素を吹込み、内側管から微粉炭を吹込んで行い、ガスの流速調整は、外側管から吹込まれる酸素の供給量を加減した。なお、酸素は、酸素富化空気でもよく、２％以上、好ましくは１０％以上の酸素富化空気を使用する。酸素富化空気を使用することによって、冷却の他、微粉炭の燃焼性の向上を図る。測定結果を図１３に示す。

二重管ランスの外側管には、２０Ａスケジュール５Ｓと呼ばれる鋼管を用いた。また、二重管ランスの内側管には、１５Ａスケジュール９０と呼ばれる鋼管を用い、外側管から吹込まれる酸素と窒素の合計流速を種々に変更してランス表面の温度を測定した。ちなみに、「１５Ａ」、「２０Ａ」はＪＩＳ Ｇ ３４５９に規定する鋼管外径の称呼寸法であり、１５Ａは外径２１．７ｍｍ、２０Ａは外径２７．２ｍｍである。また、「スケジュール」はＪＩＳ Ｇ ３４５９に規定する鋼管の肉厚の称呼寸法であり、２０Ａスケジュール５Ｓは１．６５ｍｍ、１５Ａスケジュール９０は３．７０ｍｍである。なお、ステンレス鋼鋼管の他、普通鋼も利用できる。その場合の鋼管の外径はＪＩＳ Ｇ ３４５２に規定され、肉厚はＪＩＳ Ｇ ３４５４に規定される。

同図に二点鎖線で示すように、二重管ランスの外側管から吹込まれるガスの流速の増加に伴ってランス表面の温度が反比例的に低下している。鋼管を二重管ランスに使用する場合、二重管ランスの表面温度が８８０℃を上回るとクリープ変形が起こり、二重管ランスが曲がってしまう。従って、二重管ランスの外側管に２０Ａスケジュール５Ｓの鋼管を用い、二重管ランスの表面温度が８８０℃以下である場合の二重管ランスの外側管の出口流速は２０ｍ／ｓｅｃ以上となる。そして、二重管ランスの外側管の出口流速が２０ｍ／ｓｅｃ以上である場合には二重管ランスに変形や曲がりは生じない。一方、二重管ランスの外側管の出口流速が１２０ｍ／ｓｅｃを超えたりすると、設備の運用コストの点で実用的でないので、二重管ランスの外側管の出口流速の上限を１２０ｍ／ｓｅｃとした。ちなみに、単管ランスは二重管ランスに比べて熱負荷が少ないため、必要に応じ、出口流速を２０ｍ／ｓｅｃ以上とすればよい。

前記実施形態では、微粉炭の平均粒子径は１０〜１００μｍで使用されるが、燃焼性を確保し、ランスからの送給並びにランスまでの供給性を考慮したとき、好ましくは２０〜５０μｍとするとよい。微粉炭の平均粒子径が２０μｍ未満では、燃焼性は優れるが、微粉炭輸送時（気体輸送）にランスが詰まり易く、５０μｍを超えると微粉炭燃焼性が悪化する恐れがある。

また、二重管ランスの内側管から吹込む微粉炭として使用できるのは、２５ｍａｓｓ％以下の揮発分を有する石炭の他、無煙炭も固体還元材として使用してよい。無煙炭は３〜５ｍａｓｓ％の揮発分を有する。従って、本発明では、使用する微粉炭は、無煙炭を含む、３ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の揮発分を有する微粉炭と表現する。
また、吹込む固体還元材には、微粉炭を主として、その中に廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材、ＣＤＱ集塵コークスを使用してもよい。ＣＤＱ集塵コークスは、乾式消火装置（ＣＤＱ）で集塵されたコークス粉である。使用の際は、微粉炭の全固体還元材に対する比は８０ｍａｓｓ％以上とするのが好ましい。即ち、微粉炭と、廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材、ＣＤＱ集塵コークスなどでは反応による熱量が異なるため、互いの使用比率が近くなると燃焼に偏りが生じ易くなり、操業の不安定となり易い。また、微粉炭と比して、廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材等は燃焼反応による発熱量が低位であるため、多量に吹込むと炉頂より装入される固体還元材に対する代替効率が低下するため、またＣＤＱ集塵コークスは発熱量は高いが、揮発分がないため着火しにくく、代替効率が低下するため、微粉炭の割合を８０ｍａｓｓ％以上とするのが好ましいのである。

なお、廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材は、６ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以下の細粒として微粉炭と使用できる。また、ＣＤＱ集塵コークスはそのまま使用可能である。微粉炭との割合は、搬送ガスにより気送される微粉炭と合流させることで混合可能である。予め微粉炭と混合して使用しても構わない。
このように、本実施形態の高炉操業方法では、羽口３から燃料を吹込むためのランス４を二重管とし、二本の二重管ランス４の夫々の内側管から微粉炭を吹込むと共に、二本の二重管ランス４の夫々の外側管から酸素（支燃性ガス）を吹込み、微粉炭を搬送する搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度を３５ｖｏｌ％以上とすることにより、微粉炭の揮発分が２５ｍａｓｓ％以下で且つ微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上の高微粉炭比操業であっても燃焼温度を高めることができ、その結果、排出ＣＯ_２を低減することができる。また、微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上の場合には、微粉炭を搬送する搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度を７０ｖｏｌ％未満とすることにより、酸素原単位を抑制することができる。

また、二本の二重管ランス４の内側管から吹込まれる微粉炭流が重ならないように微粉炭を吹込むことにより、微粉炭流の濃化を防止して燃焼効率を確保することができる。
また、二本の二重管ランス４先端部の軸線が重ならないように偏芯したことにより、二本の二重管ランス４の内側管から吹込まれる微粉炭流を確実に重ならないようにすることができる。

また、二重管ランス４の送風管２への挿入角度を４５°以下としたことにより、ランス先端から噴出される噴流の乱れを抑制することができる。
また、送風に富化する酸素の一部を（支燃性ガスとして）二重管ランス４の外側管から吹込むことにより、高炉内のガスバランスを損なうことがなく、酸素の過剰供給を回避することができると共に、使用する酸素の原単位を低減することができる。

１は高炉
２は送風管
３は羽口
４はランス
５はレースウエイ
６は微粉炭
７はコークス
８はチャー
９は酸素

Claims (21)

1. 揮発分が２５ｍａｓｓ％以下の微粉炭を準備し、
   羽口から微粉炭と支燃性ガスを吹込むための、内側管と外側管とを有する二本の二重管ランスを羽口毎に準備し、
   前記羽口から熱風を吹込み、
   前記二本の二重管ランスの内側管から１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上の微粉炭比で前記微粉炭を搬送ガスと共に吹込み、
   前記二本の二重管ランスの外側管から支燃性ガスを吹込み、
   前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が３５ｖｏｌ％以上である、
   高炉操業方法。
2. 前記二本の二重管ランスから吹込まれる微粉炭流が重ならないように微粉炭を吹込む請求項１に記載の高炉操業方法。
3. 前記二本の二重管ランス先端部の軸線が交差しないようにした請求項２に記載の高炉操業方法。
4. 前記二重管ランスの送風管への挿入角度が４５°以下である請求項１に記載の高炉操業方法。
5. 前記支燃性ガスは酸素であり、送風に富化する酸素の一部を前記二重管ランスの外側管から吹込む請求項１に記載の高炉操業方法。
6. 前記微粉炭が、３ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の揮発分を有する請求項１に記載の高炉操業方法。
7. 前記二重管ランスの外側管から吹込まれる支燃性ガスが、２０〜１２０ｍ／ｓｅｃの出口流速を有する請求項１に記載の高炉操業方法。
8. 前記微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上である請求項１に記載の高炉操業方法。
9. 前記微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上であり、
   前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が３５ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％未満である、
   請求項１に記載の高炉操業方法。
10. 前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が４０ｖｏｌ％以上６５ｖｏｌ％以下である請求項９に記載の高炉操業方法。
11. 前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が４５ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％以下である請求項１０に記載の高炉操業方法。
12. 前記微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上３００ｋｇ／ｔ−銑鉄以下である請求項８に記載の高炉操業方法。
13. 前記微粉炭比が１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上３００ｋｇ／ｔ−銑鉄以下である請求項９に記載の高炉操業方法。
14. 前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が３５ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％未満である請求項１に記載の高炉操業方法。
15. 前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が４０ｖｏｌ％以上６５ｖｏｌ％以下である請求項１４に記載の高炉操業方法。
16. 前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が４５ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％以下である請求項１５に記載の高炉操業方法。
17. 前記微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上３００ｋｇ／ｔ−銑鉄以下である請求項１に記載の高炉操業方法。
18. 前記微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄未満である請求項１に記載の高炉操業方法。
19. 前記微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄以上１７０ｋｇ／ｔ−銑鉄未満であり、
    前記搬送ガスと支燃性ガスとからなるガスの酸素濃度が３５ｖｏｌ以上７０ｖｏｌ％未満である、
    請求項１に記載の高炉操業方法。
20. 前記微粉炭に、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材、ＣＤＱ集塵コークスからなるグループのうち、少なくとも１つを加える請求項１乃至１９の何れか一項に記載の高炉操業方法。
21. 前記微粉炭の割合を８０ｍａｓｓ％以上として、前記廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材、ＣＤＱ集塵コークスを使用する請求項２０に記載の高炉操業方法。

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