JP5936629B2 - 高炉ストーブを加熱する方法 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、高炉（溶鉱炉）とともに使用するための高炉ストーブを加熱する方法に関する。

高炉に供給される燃焼用空気は、通常、バーナを使用して加熱される耐火性材料を有するストーブを使用して予熱される。材料が十分に高温になると、燃焼用空気がストーブを通過させられ、高炉に噴射される前にストーブを予熱する。通常、複数のストーブが並行してかつ周期的に作動させられ、それにより、少なくとも１つのストーブが燃焼用空気を加熱するために作動させられる一方で、少なくとも１つのストーブの耐火性材料が加熱される。

慣用的に、高炉から出る炉頂ガスは、約１１０〜１２０℃の温度を有し、それぞれ約２０〜２５％のＣＯ及びＣＯ₂を含有する。通常、３〜５％のＨ₂及び僅かなＨ₂Ｏも存在するが、炉頂ガスのその他の主要な成分は、Ｎ₂（通常４５〜５７％）である。ガスは、比較的低い発熱量を有する低品位の燃料を構成し、一般的に、ストーブへの燃料として使用される。

炉頂ガスは、通常、ストーブにおいて空気・燃料バーナを使用して燃焼させられる。高炉によって必要とされる所要の高い空気熱風温度を保証するために、コークス炉ガス又は天然ガスなどの高発熱量のガスによって炉頂ガスを富化することが公知である。このような付加的な燃料の燃焼は、プラントからの二酸化炭素のより大きな全体的な排出につながり、従って、望ましくない。

スタックバーナにおいて使用される燃焼用空気を酸素富化することも知られている。通常、付加的な高熱量の燃料の必要性を低減又は排除するために必要とされる濃縮レベルは、約２８〜３０％の燃焼用空気における最終的な酸化剤酸素含有率を生じるようなものである。

このような方法は、ある場合に、最高火炎温度を、ストーブの耐火性材料を損傷するのに十分に高くすることがある。

高炉自体は、長年にわたって進化してきた高効率の向流反応器である。高炉は、熱力学的効率の限界に近づいている。さらに、高炉、及びストーブなどのその補助設備は、一貫製鉄・製鋼所における最大のエネルギ消費者である。さらに、製鉄において消費されるエネルギは、一貫製鋼プロセスの炭素消費量、ひいては二酸化炭素の排出量を決定する主なファクタである。従って、高炉ストーブの熱効率を高めることが望ましい。

上述の高い最高温度の問題に加え、低すぎる火炎温度及び入熱率は、長い加熱サイクルにつながり、これは望ましくない。言い換えれば、火炎温度は、適度である必要がある。

発明の概要
本願の実施の形態は、上述の問題を解決し、以下に説明するようにその他の利点を達成することを可能にする。

すなわち、本願の実施の形態は、ストーブにおける燃焼室に配置された、安定した可視炎が維持されている燃焼領域において９ＭＪ／Ｎｍ³以下の低位発熱量（ＬＨＶ）を有する燃料を燃焼させ、燃焼ガスをストーブにおける耐火性材料に流過させかつこれにより耐火性材料を加熱させることによって、高炉ストーブを加熱する方法であって、燃料は、少なくとも８５％の酸素を含有する酸化剤によって燃焼させられ、燃焼ガスは、燃焼領域内に再循環させられ、これにより、火炎が耐火性材料を損傷しないように燃料及び酸化剤の混合物を十分に希釈する方法に関する。

以下で、発明の例示的な実施の形態及び添付の図面を参照して、発明を詳細に説明する。

慣用の製鉄所における高炉及び３つのストーブの単純化された図である。 外側燃焼室を備えた現代型の慣用のストーブを示す断面図である。 本願の実施の形態による付加的なランスを備えたストーブの断面図である。 本願の実施の形態による酸素燃料バーナを備えたストーブの詳細な断面図である。 本願の実施の形態による燃焼ガスリサイクルを備えたストーブの断面図である。 本願の実施の形態によるエゼクタランスを備えたストーブの詳細な断面図である。 （ａ）空気補助燃焼を用いかつ煙道ガスの再循環を用いずに慣用的に作動させられたバーナストーブと、（ｂ）実施の形態に従って作動させられたバーナストーブとの燃焼室における燃焼の軸方向温度分布を示すグラフである。 図７と同様のグラフであるが、同じ２つの燃焼の場合の軸方向速度分布を示す図である。 図７と同様のグラフであるが、同じ２つの燃焼の場合の軸方向一酸化炭素濃度分布を示す図である。

詳細な説明
図１は、製鉄所における高炉１２０及び３つのストーブ１００の基本的配置を示している。高炉１２０の作動は、高炉炉頂ガスを発生し、この高炉炉頂ガスは、燃料供給制御装置１１０を使用して各ストーブ１００へ供給され、関連するストーブ１００を加熱するための燃料として使用される。炉頂ガスは、空気の形態の酸化剤を使用して燃焼させられ、この空気は、空気供給制御装置１３０によって供給される。

各ストーブ１００は、セラミックれんが又は同様のものの形態の耐火性材料を有し、この耐火性材料は、まず加熱され、次いで、高炉に供給される熱風空気を加熱するために使用される。

耐火性材料加熱モード（オン・ガスモード）において作動させられる場合、煙道ガスは、ストーブ１００において酸化剤を使用して燃焼させられ、燃焼ガスは、場合によって慣用の炭素回収ステップを含む煙道ガス処理装置１５０へ供給される。

熱風空気加熱モード（オン・ブラストモード）において作動させられる場合、空気は、反対方向に耐火性材料を通過させられ、次いで、高炉１２０へ案内される。

ストーブ１００は周期的に作動させられ、それにより、いずれの時点でも少なくとも１つのストーブはオン・ブラストで作動させられ、残りのストーブはオン・ガスで作動させられる。

図２は、現代型の慣用のストーブ１００の断面図である。ストーブ１００は、外側燃焼室１０１と、耐火性材料１０２と、ドーム１０３とを有する。オン・ガスで作動させられた場合、ドーム１０３における温度は高くなりすぎないことが重要である。なぜならば、ストーブ１００に対する損傷のリスクがあるからである。内部燃焼室を備えたストーブもあること、及び本発明はこのようなストーブの作動にも等しく適用可能であることが理解されるべきである。

オン・ガスで作動させられる場合、炉頂ガス及び空気が、燃焼が生じる燃焼室１０１の燃焼ゾーンに、エアバーナ１０８を介して供給される。バーナ１０８は、燃料入口１０５と、空気入口１０４とを有する。次いで、高温の燃焼ガスは、室１０１を通り、ドーム１０３を通過し、耐火性材料１０２を通り下方へ流れ、これにより、耐火性材料を加熱する。ポート１０６から出るとき、燃焼用ガスの温度は、慣例では、約２００〜３５０℃である。

耐火性材料が所定温度に達すると、作動は、オン・ブラスト作動に切り替えられる。次いで、空気は、ポート１０６を通じて導入され、ドーム１０３及び燃焼室１０１を介して高温の耐火性材料１０２を流過し、出口ポート１０７から出る。この時点で、熱風空気は、１１００〜１２００℃の典型的な温度を有する。

本発明に関連して、上述のようにストーブを高炉炉頂ガスで加熱することが好ましい。熱風空気がストーブから提供される高炉からの炉頂ガスを使用することがさらに好ましい。これは、高炉の近くにおけるストーブの配置を可能にし、エネルギ効率がよく、プラントからの低い全体のエミッションにつながる。

しかしながら、本発明は、その他の低品位燃料を使用して加熱されるストーブにも等しく有利に適用することができることが理解される。例えば、高炉炉頂ガス及びコンバータ排ガスのための、典型的な化学的組成（百分率での値）及び低位発熱量（ＬＨＶ）が表１及び表２に提供されている。

本発明によれば、ストーブは、そのＬＨＶ値が９ＭＪ／Ｎｍ³以下である気体燃料を使用して加熱される。このような低品位燃料の使用は、本発明の可能なコスト利益から最大限の利益を引き出す。燃料は、混合物のＬＨＶ値が９ＭＪ／Ｎｍ³以下である限り、別のより高品位の燃料の付加を含んでよい。しかしながら、コスト及びエミッションを最小限にするためには、燃焼の前に高品位燃料を付加しないことが好ましい。

本発明によれば、このような低品位燃料は、空気又は僅かに酸素富化された空気ではなく、少なくとも８５質量％、好適には少なくとも９５質量％の酸素を含有する酸化剤を使用して低品位燃料を燃焼させることによってストーブを加熱するために使用され、酸化剤は、最も好適には、実質的に１００％の酸素含有率を有する工業的に純粋な酸素である。

これは燃料効率を高める。なぜならば、空気に存在する窒素バラストが加熱される必要がないからである。さらに、燃焼製品における窒素バラストを減じることにより、低品位燃料ガスに高発熱燃料を補う必要なしに、所要の火炎温度を達成することができる。減じられたエネルギ需要は、増大したパワー発生を促進しかつ／又は輸入ガスの減じられた必要性につながり、これにより、燃料管理を改善する。

通常、このような高い酸素含有率を有する酸化剤を使用することは、ストーブのドーム及び耐火性材料を損傷するのに十分に高い最高温度につながる。

しかしながら、燃焼ゾーンにおける燃料及び酸化剤の混合物が、ドーム及び耐火性材料を損傷しない温度において安定した可視炎を形成するように燃焼領域における燃焼のために十分に希釈されるような程度にまで、ストーブ燃焼用ガスが燃焼ゾーンへ再循環させられるという条件下で、このようなタイプの酸化剤を使用することが可能である。

ここで「燃焼ガスは燃焼領域内へ再循環させられる」とは、燃焼領域の外側に位置する燃焼ガスが燃焼領域へ再び再循環させられることをいう。このような燃焼ガスはもともと、燃焼室自体の内側に、しかし燃焼が主に生じる領域（「燃焼領域」）によって占められた燃焼室の部分の外側に位置していてよい。つまり、この場合、燃焼ガスは実際には燃焼室内で再循環させられる。これに代えて、このような燃焼ガスは燃焼室の外側から燃焼領域へ再び再循環させられてよい。

以下でさらに詳細に説明するように、反応物の希釈は、酸化剤の高速噴射を用いて、場合によっては段階的な燃焼方式を用いて燃焼室内に激しい乱流を生ぜしめることによって、及び／又はストーブから燃焼ゾーンへの煙道ガスのリサイクルによって、達成されてよい。

本発明によれば、ストーブの耐火性材料を損傷しないように十分に低い最高火炎温度を達成することが可能である。

加えて、高炉炉頂ガスなどの低品位燃料を燃焼させるために高酸素酸化剤が使用される場合、酸化剤として空気又は僅かに酸素富化された空気を使用する場合と比較して燃焼ガスのＣＯ₂含有率が著しく高くなる。処理されるガスがより大きな割合の二酸化炭素を含有する場合に慣用の炭素回収技術は単位回収ＣＯ₂当たりで著しく安価になる傾向があるので、これは、ストーブ燃焼ガスを処理するためにこのような炭素回収ステップを使用する場合に著しいコスト節約につながる。

図３は、発明の好適な実施の形態を示す。図２に示された慣用のストーブ２００と同様のストーブ３００は、燃焼室３０１と、耐火性材料３０２と、ドーム３０３と、ストーブが空気燃焼によって慣用の形式で作動させられているときに燃焼用空気のために使用される入口３０４と、炉頂ガスなどの低品位燃料のために使用される別の入口３０５と、ポート２０６，２０７と同様のポート３０６，３０７とを有する。空気によって低品位燃料を燃焼させる代わりに、１つ又は複数のランス３１０，３１１，３１２が燃焼室に挿入されており、燃焼ゾーンに上記の高酸素酸化剤を供給するために使用される。酸化剤は、局所的な酸素製造によって又は外部に提供された酸化剤を使用して提供されてよい。

ここで説明される全ての実施の形態において、化学量論の観点から所望の燃焼条件を形成するために、単位時間当たりの酸化剤の合計量は、供給される低品位燃料の量に対して平衡させられる。

各ランス３１０，３１１，３１２が酸化剤を燃焼ゾーンに高速で、好適には少なくとも２００ｍ／ｓで、より好適には少なくとも音速で供給することが好ましい。このような高速噴射は、燃焼室における激しい乱流につながり、ひいては、燃焼ガスを燃焼ゾーンへ引き込み、これにより、火炎を希釈し、ストーブの耐火性材料を損傷しない最高温度で火炎を拡散させる。

１つの好適な実施の形態によれば、ランス３１０は、そのオリフィスが燃料入口３０５のオリフィスの近くに位置するように配置されている。別の好適な実施の形態によれば、ランス３１１は、燃料入口３０５のオリフィスから離れた位置に配置されている。燃焼室３０１の配列に応じて、これらの配置のうちの１つ、又はそれらの組合せは、燃焼ゾーン内への燃焼ガスの最良の再循環を提供してよい。他のランス３１０，３１１に関してさらに下流に配置された補助ランス３１２を、段階的な燃焼プロセスを提供するために使用することができ、この場合、合計火炎体積はさらに大きくなることができる。もちろん、それぞれの説明したタイプの２つ以上のランス３１０，３１１，３１２が、互いを補うように配置されてよい。酸化剤が燃料入口３０５の近くに噴射される場合、段階的な燃焼プロセスを提供するために酸化剤をさらに下流でも噴射することが好ましい。

図４は、別の好適な実施の形態の概略図であり、高炉ストーブ４００は、燃焼室４０１と、耐火性材料４０２と、ポート４０６とを有する。

低品位燃料が、供給導管４１１、供給装置４１２及び入口４１３を介して供給される。酸化剤は、供給導管４１４、供給装置４１５、及びオリフィス４１６を有するランスを介して供給される。ランスは、そのオリフィス４１６が燃料入口４１３に隣接して配置されるように配置されている。好適には、図６に示したようにランスは燃料入口４１３と同軸に延びている。このような隣接配置により、特に同軸の場合、酸化剤が上記の高速で噴射されると、燃料は、高速酸化剤の部分に対するエゼクタ作用によって燃焼ゾーン内へ効率的に引き込まれる。その結果、燃焼室４０１において燃焼生成物の激しい再循環が達せられ、特に燃焼ガスを燃焼ゾーン内へ再循環させ、火炎前面を拡張させる。このような高速ランスが燃料入口４１３に隣接して配置されている場合、二次酸化剤ランス３１２を同時に使用することが好ましく、この二次酸化剤ランス３１２は、燃料入口４１３の下流の燃焼室４０１における別の位置において、全体として供給される酸素の一部を提供し、低品位燃料の段階的な燃焼を生ぜしめ、これにより、拡散した、ストーブの耐火性材料を損傷するような十分に高い最高温度を有さない火炎の達成を促進する。

ストーブ４００は、自立した製鉄プラントの一部であることができ、慣用の作動モードから、発明に従って作動するように適応させられることができ、慣用の作動モードにおいては、高炉ガスの燃焼を支持するために空気が使用され、高炉ガスは、コークス炉ガス又は天然ガスによって補われ、ストーブ４００との燃焼生成物の再循環は存在しない。

好適な実施の形態によれば、以前は既存のストーブ４００を加熱するために使用されていた既存の慣用の空気バーナは、最初のステップにおいて、上述の燃料入口４１３及び酸化剤ランスを含む酸素燃料バーナ４１０と置き換えられる。ここで「酸素燃料」バーナとは、燃料と、大部分の酸素、好適には少なくとも８５％の酸素、より好適には少なくとも９５％の酸素を含有する酸化剤とを用いて駆動されるバーナをいう。

代替的な好適な実施の形態によれば、上述の既存の空気バーナは、最初のステップにおいて、上述の１つ又は複数の高速酸化剤ランスが補われ、空気供給は終了される。

上述のように、このような高速噴射は燃焼室３０１，４０１内に激しい乱流を生じ、これは、ストーブにおける耐火性材料が損傷されないための十分に低い最大火炎温度につながる。

しかしながら、燃焼ガスの質量流量は、酸化剤として空気を使用する場合と比較して高酸素酸化剤を使用する場合には低くなる。これは、耐火性材料へのより小さな対流熱伝達につながり、ひいてはより長い加熱サイクル時間につながる。従って、高酸素酸化剤作動のために既存のストーブを転換する場合、図５及び図６に関連して以下で説明するように煙道ガスがストーブから燃焼ゾーンへ再びリサイクルさせられる。

すなわち、図５は、燃焼室５０１、耐火性材料（時には「チェッカーれんが（checker work」と称される）５０２、及びドーム５０３を有する、別の好適な実施の形態によるストーブ５００の概略図である。

オン・ガス運転中、燃焼ガスはポート５０６を通ってストーブ５００から出る。しかしながら、燃焼ガスの一部は、リサイクル装置５１１を介して燃焼室５０１における燃焼領域へ再びリサイクルされる。リサイクルされる燃焼ガスを燃焼室５０１へ供給するために、フィードバック装置５１１はファンなどの推進装置を有してよい。

リサイクル装置５１１は、リサイクルされる燃焼ガスを、供給導管５１２を介して提供される、上述の組成の高酸素酸化剤と混合するためにも配置されている。混合は、慣用のディフューザを使用して行われてよい。次いで、リサイクルされる燃焼ガスと酸化剤との混合物は、入口５１３を介して燃焼室５０１に供給される。供給導管５１４、供給装置５１５及び入口５１６を介して、高炉からの炉頂ガスなどの低品位燃料が提供される。燃焼ゾーンにおいて、燃料はこれにより、既にストーブ５００を通過した後に燃焼ゾーンにリサイクルされた燃焼ガスが存在する中で酸化剤とともに燃焼させられる。このように、燃焼室５０１における火炎は希釈される。

このような煙道ガスリサイクルを使用して、本発明による方法が適用される既存のストーブの加熱サイクル時間を維持することができるために十分に高い対流熱伝達率を達成することができる。これは、リサイクルを行わずに低酸素酸化剤を使用して本発明による運転への変換の前に既存のストーブが作動させられたときに使用された単位時間あたりのガス質量又は熱エネルギと少なくとも同じレベルに、ストーブ５００を通る単位時間当たりのガス質量又は熱エネルギ流を維持するために、十分な量の燃焼ガスをリサイクルすることによって達成される。

前述のように、本発明による方法は、発熱量的に富化された低発熱量煙道ガスの空気燃焼を、火炎が、煙道ガスを再循環させることによって、例えば酸化剤噴射用のランスを使用した燃焼空間の高衝撃混合によって希釈される、酸素燃料燃焼と置き換える。高コスト高発熱量ブースタ燃料ガスの必要性は排除され、ストーブは高炉ガスのみを使用して燃料供給される。ストーブは通常、一貫製鋼の合計エネルギ需要の約１０％を占め、ストーブに供給されるエネルギの約１８％は煙道ガスにおいて損失される。煙道ガスをリサイクルすることはこのエネルギ損失を低減し、煙道ガスの燃焼からストーブに供給されなければならないエネルギ量を減じる。従って、本発明による方法は、排熱回収の利点のうちのいくつかを酸素燃料燃焼の利点と組み合わせる。

約２．２ｔ／ｍ³／ｄの生産性で運転する１５００ｍ³作動体積高炉の仮定的な例を考える。このような炉は、毎時約１３８トンの高温金属を製造し、典型的な熱風体積に基づき、１３８０００Ｎｍ³／ｈの高温熱風を消費すると予測される。１２００℃の高温熱風温度を達成するためには、約１５０℃以上のストーブバーナ火炎温度が必要であり、空気をこの温度に加熱するためには約２３０ＧＪ／ｈが必要とされる。約８０％のストーブ効率の場合、これは、２つのストーブが同時に「オン・ガス」であると仮定すると、ストーブへのエネルギ入力が約２９０ＧＪ／ｈ又は各ストーブについて１４５ＧＪ／ｈであることを意味する。通常のストーブ作動条件の場合、ストーブへのエネルギ入力の約１８％が煙道ガスにおいて出ていくことは十分に確定されている。考慮された条件の場合、これは、約２５０℃の煙道ガス温度を生じると評価された。

これらの条件は、３つの作動モード、すなわち「空気−燃料」（すなわち煙道ガス再循環を行わない慣用的な作動）、「酸素富化」（すなわち空気が酸素富化された「空気−燃料」として）、及び「煙道ガスリサイクル」（すなわち本発明の方法に従って）のための仮想の熱及び質量バランスを確立するために使用された。対流伝熱のための条件が維持されるように、一定の火炎温度及び燃焼生成物の一定の質量流量を保証するために計算が行われた。火炎化学量は、それぞれ、煙道ガスにおける１％過剰酸素を保証するように調節された。結果は表３において比較されている。

考慮されている条件の場合、ストーブに供給される空気の酸素富化は、使用されるコークス炉ガスの量を低減するが、排除しない。高炉ガス流は、１４５ＧＪ／ｈの熱入力が維持されることを保証するように増大される。煙道ガスのＣＯ₂含有率は、システムからの僅かな窒素の排除により僅かに増大する。

煙道ガス再循環の導入は、煙道ガスの発熱富化の必要性を排除する。これは、煙道ガスに含有された顕熱の回収と組み合わされた、高炉ガスの流れにおける別の適度な増大が、所望の火炎温度が達成されることを可能にするために十分であるからである。煙道ガス再循環により、酸化剤は空気ではなく、少なくとも８５質量％の酸素を含有するガス混合物又は実質的に純粋な酸素である（表３に示された計算結果は後者に基づく）。燃焼からのエネルギ入力は、リサイクルされる煙道ガスからのエネルギ回収により約４％減少させられる。

工業用酸素の使用によって、空気は排除され、燃焼は維持される。重要なことに、煙道ガスのＣＯ₂含有率は最初の２３％から４１％に増大したことが分かる。これは、１つのストーブのための毎時５０トンのＣＯ₂又は「オン・ガス」の２つのストーブのための１００トンに等しい。このうち７５トンは、炭素回収及び隔離のために利用可能であるのに対し、残りはリサイクルされる。

考慮されている仮想的なケースの場合、１時間ごとに製造される１３８トンの高温金属が、１５０トンのスラブ又はその他の金属製品に変換され、これが、製鋼中のスクラップ付加の可能性の原因であると仮定することが合理的である。

工業基準数を適用して、一貫鋼プラント全体は毎時約２８０トンのＣＯ₂を発生すると見積もることができる。これにより、考慮されている例の場合、ストーブ（カウパーストーブであると仮定される）への煙道ガスのリサイクルは、プラント全体のＣＯ₂の約２７％を炭素回収のために利用可能にする。

表１に詳細に示されたような単純な熱及び質量の平衡は、本発明による方法によって達成可能な主な利点を例示するために機能するが、これらの平衡は、利点を完全に反映していない。特に、これらの平衡は、空気−燃料から酸素燃料燃焼への切り替えにおいて生ぜしめられる改良された熱伝達条件を考慮していない。この目的のために、耐火性チェッカーれんがにおける組成、温度及び質量流量に関する全体的な熱伝達率に対する変化を考慮する動的モデルを使用することができる。高温熱風ストーブの多くのモデリング研究は、生じる熱伝達を、対流及び放射の効果を組み合わせる全体的な又は「ひとまとめにされた」熱伝達率によって正確に表すことができる。従って、ガスサイクルでは
α＝α_c＋α_r
ここで、α_c＝対流熱伝達率、
α_r＝放射熱伝達率である。

対流熱伝達率は、質量流量に関連し、Sieder-Tateの式又はHausenの式から計算されてよい。放射熱伝達率は、ステファン・ボルツマンの法則から導き出される。ステファン・ボルツマンの法則は以下の形式で表すことができる；

ここで、ε_g＝組成及び温度の関数でありかつグレーガスモデル（grey gas models）及びホッテル線図（hottel charts）から導き出されるガスの放射率
α_g＝ガスの吸収率
Ｔ_g＝ガス温度
Ｔ_B＝局所的なチェッカーれんがの平均温度である。

このような原理を組み込みかつチェッカーれんが（耐火性）への熱伝達及びチェッカーれんが内の熱伝達を考慮するゾーンモデルは、利点のより詳細な評価を行うために使用されてきた。比較のためのベースラインは、１２５０℃の工業的基準高温熱風温度を発生する現代のカウパー熱風炉のセットからの操作データである。結果は表４に示されている。

これらのケースを少しより詳しく比較することは興味深い：
慣用の作動は、ストーブが、１２４８℃の高い熱風温度を発生するために著しいレベルの天然ガス富化を使用することを示す。

全ての３つの例（「酸素ケース」１，２及び３）は発明者たちによるものである。「酸素ケース」１において、モデルは、慣用の運転におけるものと同じ熱風温度、熱風体積及び煙突温度を保持しながら行われた。このケースは、定常熱バランスに対する同等の結果を発生する。なぜならば、（耐火性の）チェッカーれんがへの放射熱伝達が改良されたが、その利点は、一定の煙突温度を保持するためにモデルを強制することによって識別されるからである。実際、リサイクルされた煙道ガスに含有されたＣＯ₂の熱容量は、ＣＯ₂が置き換わっている窒素の熱容量よりも高いので、全体的な影響は、著しくより大きなエネルギが、一定のドーム（及び噴射）温度を維持するために必要とされるというものである。しかしながら、高価な天然ガスをより安価な燃料源と置き換えることは、より高いエネルギ入力と、消費される酸素のコストとの両方を相殺するために十分である。モデルによって計算された全体的な熱伝達係数は、チェッカーれんがの上部の近くにおける空気燃料燃焼に関する１３．５％の増大を示すが、チェッカーれんがの基部に近い方のより低い温度においてさえも、全体的な熱伝達係数は約８．５％だけ増大したということを指摘する価値がある。

「酸素ケース」２において、高められた熱伝達条件が、煙突ガス温度をより低い温度に再平衡させることによって相殺されていた。チェッカーれんがにおいてより多くの熱が保持されるので、煙突温度は約２５℃だけ低下するということが分かる。正味効果は、同じ熱風温度を保持しながらガス発生サイクル時間を低下させることができるということである。３ストーブ運転のための合計エネルギ入力は僅かに減じられるが、熱風温度及び体積はより低い煙突ガス体積においてさえも維持される。これは、接続されたストーブ条件下で活用することができる重要な特徴である。

「酸素ケース」３において、元の煙道ガス温度が回復されるまで燃焼速度を増大することによって、元の煙道ガス温度が活用されるまで燃焼速度を増大させることによって煙道ガス温度の減少が生じる。燃焼速度をほぼ１０％だけ増大させることができることが明らかである。これは、熱風温度を約１３℃だけ高めるのに十分であり、高炉における著しいコークス節約を生じるのに十分である。

ストーブサイクル全体の間に生じる温度、速度及び濃度の時間的及び空間的変化を詳細な理解を発展させるために、動的熱平衡と共に、計算流体力学（ＣＦＤ）モデリングが使用されてきた。幾つかの関連するＣＦＤ結果が図７〜図９に示されている。これらは、本発明による方法が、煙道ガスの再循環なしに酸化剤として空気を用いて高炉ストーブの慣用の運転において得られる火炎形状と同様の火炎形状を生じるように行うことができることを示している。したがって、本発明による方法は、ストーブ耐火れんが若しくはチェッカーれんがを損傷する恐れがある最高火炎温度を生じることなく、１つ又は複数の安定した可視炎によって行うことができると推測することができる。

ここで図５を参照すると、好適な実施の形態によれば、耐火性材料を通る単位時間当たりのガス質量流量を実質的に維持又は増大するために十分な燃焼ガスがリサイクルされる。

代替的な好適な実施の形態によれば、耐火性材料を通る熱エネルギスループット（熱エネルギ量）を実質的に維持又は増大するために十分な燃焼ガスがリサイクルされる。これは、燃焼ガスにおける様々な不活性成分のための様々な熱容量を考慮する。この場合、火炎温度が実質的に維持される又は低下させられるように十分な燃焼ガスがリサイクルされることも好ましい。

表３にも示されているように、ストーブ５００から排出された煙道ガスのＣＯ₂成分は、慣用の運転モードにおける２３％と比較して著しく高い４１％である。慣用の炭素回収技術の場合の回収されたＣＯ₂単位重量当たりのコストは、ＣＯ₂濃度が低いレベルから約５０〜６０％のレベルまで上昇するので、著しく削減される。

この限界を超えて増大した濃度は、より少ない利得を生ずる。その結果、ストーブ煙道ガスを処理するための炭素回収ステップのためのコストは、本発明に従って高酸素酸化剤が使用された場合、補足されるＣＯ₂単位重量当たりで著しく削減される。

好適な実施の形態によれば、以前は既存のストーブ５００を加熱するために使用されていた既存の慣用の空気バーナは、最初のステップにおいて、燃料入口５１６と、リサイクルされた燃焼ガスのための入口５１３とによって置き換えられ、従って、燃料は上述の高酸素酸化剤とともに燃焼させられる。このために、酸化剤が、リサイクルされた燃焼ガスと予混合することによって提供されることが好ましい。代替的に、このような予混合が、上述の１つ又は複数のランスと組み合わされることが好ましい。

図６は、本発明の別の好適な実施の形態の概略図であり、燃焼室６０１と、耐火性材料６０２と、ポート６０６と、リサイクル燃焼ガス用の導管６１０と、リサイクル装置６１１と、燃料供給導管６１６と、燃料供給装置６１７と、燃料入口６１８とを備えた、高炉ストーブ６００を示す。

酸化剤は、酸化剤供給導管６１３及び酸化剤供給装置６１４を介して酸化剤ランスに供給され、この酸化剤ランスは、ランスのオリフィス６１５が、リサイクル装置６１１から供給されるリサイクル燃焼ガスの供給のためのオリフィス６１２に隣接して配置されるように配置されている。好適には、酸化剤ランスは、リサイクル燃焼ガス入口６１２と同軸に延びている。図４に関連して説明された同軸のランスオリフィス４１６の機能と同様の形式で、このような隣接配置は、特に同軸である場合、高速酸化剤の一部に対するエゼクタ作用によってリサイクル燃焼ガスを燃焼ゾーンへ効率的に引き込み、燃焼室６０１においてより多くの燃焼ガス再循環を生じる。同時に、リサイクル燃焼ガスはオリフィス６１５におけるエゼクタ作用によって推進されるので、リサイクル装置６１１において別個の推進装置は不要である。

図６に示された実施の形態は、有利には付加的な酸化剤ランスと組み合わされ、オリフィス６１５から離れて配置された燃焼ゾーンにおける位置に付加的な酸化剤を提供し、これにより、燃焼ゾーンにおいて段階的な燃焼を達成する。

上述のように、ストーブ３００，４００，５００，６００は、それ自体慣用のものであってよいそれぞれの炭素回収ステップ３５０，４５０，５５０，６５０に接続されており、燃焼ガスが環境中へ放出される前に、ストーブから排出された燃焼ガスの二酸化炭素含有量を分離する。

高炉の使用年数がその予測される有効寿命に近づくと、ここに説明された実施の形態のうちの１つ、又はそのうちの複数の組合せをストーブに提供することが好ましい。

これにより、ストーブの有効寿命が延び、ストーブをより低い火炎温度で運転させ、熱風空気の観点から生産速度が維持され、燃料経済性が高まり、エミッションが低下する。

つまり、本発明による方法により、炭素回収により適した煙道ガスを発生しながら、より高い発熱量の燃料富化を必要とすることなく、また高温によって誘発されるストーブ損傷のリスクなしに、高炉ストーブが高炉炉頂ガスなどの低品位燃料のみを使用して運転させることができる。加えて、これにより、ストーブの有効寿命が延びる。

燃焼ガスの十分なリサイクルが行われると、高酸素酸化剤を用いる運転のために前記のように変換された既存のストーブであって、このストーブには、図５又は図６に関連して説明された燃焼ガスリサイクル配列が提供されている既存のストーブにおいて、同じ量及び質の熱風空気を達成することも可能である。

上記では好適な実施の形態が説明されている。しかしながら、本発明から逸脱することなく、説明された実施の形態に対して多くの変更がなされてよいことが当業者に明らかである。

例えば、図４〜図６に関して説明したような燃焼ガスの再循環を形成する方法のうちのいずれか１つに、有利には、図３に関して説明したような１つ又は複数の酸化剤ランスが補足されてよい。

さらに、図６に関して説明したようなエゼクタ推進式再循環燃焼ガス法は、有利には、図５に関して説明したものと同様の形式で所定の量の高酸素酸化剤と予混合されてよい。

また、図６に関して説明したような予混合された又は予混合されないリサイクル燃焼ガスのエゼクタ推進は、有利には、図４に関して説明したような低品位燃料のエゼクタ推進と組み合わされてよい。

熱は、リサイクルされない燃焼ガスから回収されてよい。これに加えて又はこれに代えて、燃焼ガスに炭素回収が行われてよい。

本発明による方法は、図面に示されたストーブの代わりに、カルギン高炉に適用されてよい。

ここで説明された実施の形態は単に例示的であり、当業者が、発明の思想及び範囲から逸脱することなく変更及び修正を行ってよいことが理解されるであろう。全てのこのような変更及び修正は、ここで説明及び請求された発明の範囲に含まれることが意図されている。さらに、所望の結果を提供するために発明の様々な実施の形態が組み合わされてよいので、開示された全ての実施の形態は必ずしも択一例であるわけではない。

Claims (12)

1. ストーブにおける燃焼室に配置された、安定した可視炎が維持されている燃焼領域において９ＭＪ／Ｎｍ³以下の低位発熱量（ＬＨＶ）を有する燃料を燃焼させ、燃焼ガスをストーブにおける耐火性材料に流過させかつこれにより該耐火性材料を加熱させることによって、高炉ストーブを加熱する方法であって、前記燃料は、少なくとも８５％の酸素を含有する酸化剤とともに燃焼させられ、前記燃焼ガスは、前記燃焼領域内に再循環させられ、これにより、火炎が前記耐火性材料を損傷しないように十分に前記燃料及び前記酸化剤の混合物を前記燃焼領域において希釈し、前記燃焼ガスは、前記燃焼室内であって、前記燃焼領域によって占められた前記燃焼室の部分の外側の位置から再循環させられ、前記酸化剤は、ランスを通じて少なくとも２００ｍ／ｓの速度で前記燃焼領域へ供給され、これにより、前記燃焼ガスを前記燃焼領域へ引き込み、火炎の希釈を達成することを特徴とする、高炉ストーブを加熱する方法。
2. 前記酸化剤は、少なくとも音速で噴射される、請求項１記載の方法。
3. 前記ランスは、燃料用の供給入口に隣接したオリフィスを有し、これにより、エゼクタ作用によって前記燃料を前記燃焼領域へ引き込む、請求項１記載の方法。
4. 燃料用の供給入口のオリフィスの近くに配置されたランスと、燃料用の供給入口のオリフィスから下流に離れて配置されたランスとを通じて前記酸化剤を前記燃焼領域へ供給する、請求項３記載の方法。
5. 前記耐火性材料を流過させられた前記燃焼ガスは、前記燃焼領域へ再びリサイクルさせられる、請求項１記載の方法。
6. リサイクルさせられた燃焼ガスは、前記燃焼領域に進入する前に前記酸化剤と予混合させられる、請求項５記載の方法。
7. ストーブは、予備的なステップとして、ストーブを加熱するために使用されていた空気バーナを、燃料入口及びリサイクルされた燃料ガス用の入口と置き換えることによって前記方法を行うように調節され、燃料が次いで前記酸化剤とともに燃焼させられる、請求項１記載の方法。
8. 前記燃料は、高炉炉頂ガスを含む、請求項１記載の方法。
9. 前記高炉炉頂ガスは、ストーブによって高温空気が供給される高炉からのものである、請求項８記載の方法。
10. 前記燃料は、発熱量的に富化された高炉炉頂ガスである、請求項１記載の方法。
11. 火炎温度は、１４００℃未満に維持される、請求項１記載の方法。
12. 火炎温度は、１３５０℃未満に維持される、請求項１１記載の方法。

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