JP6245192B2 - 高炉及び高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、羽口を経て高炉内に熱風を送る送風管に差し込まれて固体還元材を高炉の羽口内に吹き込むランス及び高炉操業方法に関し、羽口から微粉炭を吹き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の低減を図る場合に好適なものである。

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、主に炉頂から装入するコークス及び羽口から吹き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、トータルとしての排出ＣＯ_２の抑制につながる。下記特許文献１では、微粉炭の搬送気体（キャリアガス）と熱風の流速に速度差を与え且つ微粉炭吹き込みランスの先端部の形状を、例えば末広がりのコーン形状としたり、そのコーン形状の先端部に切り込みを入れたりするなど、様々に工夫し、微粉炭吹き込みランスの先端部に生じる乱流度を高め、微粉炭と熱風との混合を促進して燃焼性を向上することが記載されている。また、下記特許文献２では、ランスの吹き込み先端部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ことが記載されている。

特開平９−２５６０１２号公報 特開２０１２−１８８７４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載される高炉操業方法も、特許文献２に記載される高炉操業方法も、従来の円管体のランスから微粉炭を吹き込む場合に比べれば、燃焼温度の向上や還元材原単位の低減に効果があるものの、更なる改良の余地がある。
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、より一層の微粉炭燃焼率の向上及び還元材原単位の低減を可能とするランス及び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、本発明の一態様によれば、羽口を経て高炉内に熱風を送風する送風管に差し込まれ、搬送気体と共に固体還元材を高炉の羽口内に吹き込むためのランスであって、円管体からなり、固体還元材を搬送気体と共に搬送するための搬送部と、搬送部の固体還元材搬送方向先方に配置され、搬送部の外径よりも最大外径が大きい拡大部と、拡大部のうちの固体還元材搬送方向先端部の２箇所に形成された切欠き部とを備え、切欠き部のうちの１つは、送風管の径方向中心に向けて開口しており、切欠き部のうちの残りの１つは、その反対側に向けて開口しているランスが提供される。
また、本発明の別の態様によれば、本発明の一態様に係るランスを用いた高炉の操業方法であって、固体還元材として微粉炭を用いる高炉操業方法が提供される。

本発明のランス及び高炉操業方法では、より一層の微粉炭燃焼率の向上及び還元材原単位の低減を図ることができる。

本発明のランス及び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。 図１のランスの吹き込み先端部の詳細図である。 ランスの吹き込み先端部に形成される切欠き部の説明図である。 ランスの吹き込み先端部に形成される切欠き部の説明図である。 図４のランスの吹き込み先端部における流れの説明図である。 切欠き部の外周側円周長及び拡大部の長さを変更したときの燃焼率の説明図である。 拡大部の最大半径増加量及び切欠き部の深さを変更したときの燃焼率の説明図である。

次に、本発明のランス及び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、この実施形態のランス及び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の管壁を貫通してランス４が設置されている。ランス４は、送風管２内に微粉炭などの固体還元材を吹き込むためのものである。この実施形態では、熱風には大気を用いた。羽口３の熱風送風方向先方のコークス堆積層には、レースウェイ５と呼ばれる燃焼空間が存在し、主として、この燃焼空間で鉄鉱石の還元が行われる。図では、図示左方の送風管２にランス４が１本だけ挿入されているが、周知のように、炉壁に沿って円周状に配置された送風管２及び羽口３の何れにもランス４を挿入設定することは可能である。また、羽口当たりのランスの数も１本に限定されず、２本以上を挿入することが可能である。また、ランスの形態も、単管ランスをはじめ、二重管ランスや複数のランスを束ねたものも適用可能である。この実施形態では、１つの送風管２に円管体からなる単管ランス４を１本だけ挿入した。

固体還元材として微粉炭をランス４から吹き込む場合、微粉炭は、Ｎ_２などのキャリアガス（搬送ガス）と共に吹込まれる。ランス４から固体還元材として微粉炭だけを吹き込む場合、図２に示すように、ランス４から送風管２及び羽口３を通過してレースウェイ５内に吹き込まれた微粉炭６は、コークス７と共に、その揮発分と固定炭素が燃焼し、燃焼しきれずに残った、一般にチャーと呼ばれる炭素と灰分の集合体は、レースウェイ５から未燃チャー８として排出される。未燃チャー８は炉内に蓄積され、炉内通気性を悪化させるため、レースウェイ５内で微粉炭６をできるだけ燃焼させる、つまり微粉炭６の燃焼性向上が求められる。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ェイ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には、ランス４から送風管２内に微粉炭（図ではＰＣ：Pulverized Coal）６のみを吹き込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。羽口３からレースウェイ５内に吹き込まれた微粉炭６は、まず送風からの対流伝熱によって加熱され、更にレースウェイ５内の火炎からの輻射伝熱、伝導伝熱によって急激に粒子温度が上昇し、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。揮発分が全て放出してしまうと、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呼ばれる反応も生じる。このとき、例えばランス４から送風管２内に吹込まれる微粉炭６の揮発分を増加させると、微粉炭６の着火が促進され、揮発分６の燃焼量増加により微粉炭６の昇温速度と最高温度が上昇し、微粉炭６の分散性と温度の上昇によりチャー８の反応速度が上昇する。即ち、揮発分の気化膨張に伴って微粉炭６が分散し、揮発分が燃焼し、この燃焼熱によって微粉炭６が急速に加熱、昇温すると考えられる。一方、ランス４から送風管２内に微粉炭と共に例えば易燃性ガスとしてＬＮＧを吹込む場合、ＬＮＧが送風中の酸素と接触してＬＮＧが燃焼し、その燃焼熱によって微粉炭が急速に加熱、昇温されると考えられ、これにより微粉炭の着火が促進される。

この実施形態では、このように微粉炭、即ち固体還元材自体の性状を変更したり易燃性ガスを併用したりすることなく、固体還元材である微粉炭の燃焼率を向上させるため、ランス４の吹き込み先端部形状を工夫する。微粉炭の燃焼率は、微粉炭の可燃部、即ち固定炭素と揮発分の和に対する実際の燃焼分の比率である。微粉炭の性状を変更したり易燃性ガスを併用したりすることなく、微粉炭の燃焼率を向上させるためには、微粉炭粒子と酸素の接触効率を向上させることが重要である。

図４には、この実施形態で用いたランス４の吹き込み先端部形状を示す。このうち、図４ａは、ランス４の平面図、図４ｂは、その右側面図である。このランス４の吹き込み先端部以外の部分は、通常の円管体からなるランスと同様の円管体であり、この部分を、キャリアガスと共に微粉炭を搬送するための搬送部９とした。そして、搬送部９より吹き込み先方の吹き込み先端部は、搬送部９の外径より最大外径が大きい拡大部１０とし、その拡大部１０の吹き込み先端部の２箇所に切欠き部１１を形成した。この実施形態では、ランス４の吹き込み先端部のうち、径方向に対向する２箇所の先端面から搬送部（ランス）軸方向に割り（スリット）を形成し、その割りからランス４の吹き込み先端部を径方向に拡げるようにして拡大部１０を形成し、その２つの拡大部１０の間に割りを拡げて切欠き部１１を形成する。拡大部１０の形状は、ランス４の吹き込み先端部の外径が次第に増大する円錐テーパの一部に類似している。

拡大部１０の形状は、これに限定されるものではなく、例えばランス４の吹き込み先端部の外径が段階的に増大するような形状であってもよい。また、切欠き部１１の形状も、搬送部９の軸直角方向視で、図５ａに示す三角形状（図４と同様）の他、図５ｂに示すような方形状のもの、図５ｃに示すように、開口部が方形で底部が曲面のものなどが挙げられる。また、切欠き部１１の先端中心と下端中心のなす角度θ、具体的には切欠き部１１の開口部中心と底部中心を結ぶ線分がその開口部を結ぶ弦となす角度θは、図６に示すように、３０°〜９０°とするのが好ましい。なお、後述するように、切欠き部１１の数が増えると、キャリアガスの拡散に対しては有利になるものの、送風管２内の熱風と微粉炭との混合を妨害するため、切欠き部１１の数は２とした。

このような吹き込み先端部形状を有するランス４で重要なのが切欠き部１１の向きである。２つの切欠き部１１のうちの１つは、送風管２の径方向中心に向けて開口しており、残りの１つは、その反対側、つまり凡そ送風管２の内周壁面側に向けて開口している。このようにすることで、熱風が切欠き部１１から微粉炭の軌跡上に巻き込まれやすくなり、ランス近傍での微粉炭と熱風、即ち酸素との混合が促進される。図７ａは、この実施形態のランス４を使用した場合のキャリアガスの流れと微粉炭６の軌跡を示すものであり、図７ｂは、例えば図５ｂに示すような方形の切欠き部１１を拡大部１０に形成したランス４を用いた場合の熱風の流れを示すものである。この実施形態のランス４を用いてキャリアガスと共に微粉炭６を吹き込む場合、微粉炭６は直進するが、キャリアガスは拡大部１０で周囲に拡散される。一方、熱風は切欠き部１１から微粉炭の軌跡上に巻き込まれ、ランス４の近傍での微粉炭６と熱風、即ち酸素の混合が促進される。特に、切欠き部１１が送風管２の径方向中心に向けて開口していると、微粉炭６と酸素の混合がより一層促進される。

切欠き部１１の大きさは、図４に示すように、切欠き部１１の外周側円弧長Ｃと開口部から底部までの深さＤで表す。切欠き部１１の外周側円弧長Ｃは、拡大部１０の外周円弧が切欠き部１１の外周にも延長していると見なし、搬送部９の外周長に対する２つの切欠き部１１の外周側円弧長Ｃの計の比で評価する。切欠き部１１の外周側円弧長Ｃを大きくすると、微粉炭６と熱風の混合は促進されるものの、切欠き部１１の外周側円弧長が大きすぎると、熱風がランスの径方向内側に流れ込んで微粉炭６の分散が抑制されてしまうと考えられる。そのため、切欠き部１１の外周側円弧長Ｃは、搬送部９の外周長に対する２つの切欠き部１１の外周側円弧長Ｃの計の比で０．２を超え、０．６以下とすることが好ましい。また、切欠き部１１の深さＤを大きくすると、微粉炭６と熱風の混合は促進されるものの、切欠き部１１の深さＤが大きすぎると、ランス先端部でのキャリアガス及び熱風の流れが安定してしまうため、微粉炭６の分散が抑制されると考えられる。そのため、切欠き部１１の深さＤは、０ｍｍを超え、１２ｍｍ以下とするのが好ましく、２ｍｍ以上、１０ｍｍ以下とするのがより好ましく、３ｍｍ以上、７ｍｍ以下とするのが更により好ましい。

一方、拡大部１０の搬送部軸方向への長さ（以下、拡大部１０の軸方向長さ）Ｌを大きくすると、微粉炭６と熱風の混合がより促進されるものの、拡大部１０の軸方向長さＬが大きすぎると、拡大部１０における流れの乱れによる振動が大きくなり、操業が不安定になると考えられる。そのため、拡大部１０の軸方向長さＬは、切欠き部１１の深さＤ以上、切欠き部１１の深さＤ＋５ｍｍ以下とするのが好ましい。また、拡大部１０の径方向の大きさは拡大部１０の径方向への広がり具合と考え、拡大部１０の軸方向長さＬに対する拡大部１０の最大半径の搬送部外径からの半径の増加量ΔＲの比で評価する。拡大部１０の径方向への広がり具合を大きくすると、微粉炭６と熱風の混合が促進されるものの、拡大部１０の径方向への広がり具合が大きすぎると、拡大部１０が熱風の熱に晒されて割れやすくなる。そのため、拡大部１０の径方向への広がり具合は、拡大部１０の軸方向長さＬに対する拡大部１０の最大半径の搬送部外径からの半径の増加量ΔＲの比で０を超え、√３未満とするのが好ましい。

次に、この実施形態の第１実施例として、寸法が、搬送部９の内径１２．７ｍｍ、外径１７．３ｍｍ、拡大部１０の最大外径３８ｍｍ、切欠き部１１の深さ７ｍｍのランス４を用いて、微粉炭燃焼率の確認を行った。切欠き部１１の形状は、図４又は図５ａに示す形状とした。また、固体還元材として、固定炭素分７０％、揮発分１９％、灰分１１％の微粉炭６を用い、キャリアガスの流量は４１００ｃｍ³／ｓｅｃとした。また、羽口先の送風風速は８０ｍ／ｓｅｃとした。この条件で、切欠き部１１の外周側円弧長Ｃ及び拡大部１０の軸方向長さＬを変更して微粉炭６の燃焼率を調べた。微粉炭６の燃焼率は、前述したように、微粉炭６の固定炭素と揮発分の和に対する実際の燃焼分の比率、換言すれば初期の可燃分に対する放出された可燃分の割合である。測定結果を図８に示す。切欠き部１１の外周側円弧長Ｃは、前述したように、搬送部９の外周長に対する切欠き部１１の外周側円弧長Ｃの計の比で評価した。図に示すように、何れの場合も、微粉炭６の燃焼率５０％以上を達成しているが、搬送部９の外周長に対する切欠き部１１の外周側円弧長Ｃの計の比で切欠き部１１の外周側円弧長Ｃが０．２を超え、０．６以下の範囲で微粉炭６の燃焼率がよい。一方、拡大部１０の軸方向長さＬは、切欠き部１１の深さ＋５ｍｍ以下の範囲であれば微粉炭燃焼率にさほど影響を与えない。

次に、この実施形態の第２実施例として、寸法が、搬送部９の内径１２．７ｍｍ、外径１７．３ｍｍ、切欠き部１１の外周側円弧長の計が２２ｍｍのランス４を用いて、微粉炭燃焼率の確認を行った。切欠き部１１の形状は、図４又は図５ａに示す形状とした。また、固体還元材として、固定炭素分７０％、揮発分１９％、灰分１１％の微粉炭６を用い、キャリアガスの流量は４１００ｃｍ³／ｓｅｃとした。また、羽口先の送風風速は８０ｍ／ｓｅｃとした。この条件で、拡大部１０の径方向への広がり具合及び切欠き部１１の深さＤを変更して微粉炭６の燃焼率を調べた。微粉炭６の燃焼率は、前述したように、初期の可燃分に対する放出された可燃分の割合である。測定結果を図９に示す。拡大部１０の径方向への広がり具合は、前述したように、拡大部１０の軸方向長さＬに対する拡大部１０の最大半径の搬送部外径からの半径の増加量ΔＲの比で評価した。図に示すように、何れの場合も、微粉炭６の燃焼率５０％以上を達成しているが、拡大部１０の軸方向長さＬに対する拡大部１０の最大半径の搬送部外径からの半径の増加量ΔＲの比で拡大部１０の径方向への広がり具合が０を超え、√３未満の範囲で広がり具合の増加と共に微粉炭６の燃焼率が増加し、√３以上の範囲では微粉炭６の燃焼率は飽和している。前述のように、拡大部１０の径方向への広がり具合が大きすぎると、拡大部１０が熱風の熱に晒されて割れやすくなる。従って、拡大部１０の径方向への広がり具合は、拡大部１０の軸方向長さＬに対する拡大部１０の最大半径の搬送部外径からの半径の増加量ΔＲの比で０を超え、√３未満とするとよい。一方、切欠き部１１の深さＤは、少なくとも０を超え、７ｍｍまでの範囲で、深いほど微粉炭の燃焼率がよい。

このように、この実施形態のランス及び高炉操業方法では、固体還元材として微粉炭６を用い、羽口３を経て高炉１内に熱風を送風する送風管２にランス４を差し込み、キャリアガスと共に微粉炭６を高炉１の羽口３内に吹き込む。このランス４は、円管体からなり且つ微粉炭６を搬送気体と共に搬送するための搬送部９と、搬送部９の微粉炭搬送方向先方に配置され且つ搬送部９の外径よりも最大外径が大きい拡大部１０と、拡大部１０のうちの微粉炭搬送方向先端部の２箇所に形成された切欠き部１１とを備える。そして、切欠き部１１のうちの１つは、送風管２の径方向中心に向けて開口しており、切欠き部１１のうちの残りの１つは、その反対側に向けて開口している。そのため、キャリアガスは拡大部１０で周囲に拡散され、熱風は切欠き部１１から微粉炭６の軌跡上に巻き込まれ、ランス４の近傍で微粉炭６と熱風、即ち酸素の混合が促進され、その結果、より一層の微粉炭燃焼率の向上及び還元材原単位の低減を図ることができる。

なお、吹き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（木材）を混合使用してもよい。ちなみに、混合使用の際は、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（木材）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、微粉炭の割合を８０ｍａｓｓ％以上とするのが好ましいのである。
また、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材は、大きさが６ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以下の細粒として微粉炭と混合使用できる。これらは、搬送気体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。

１ 高炉
２ 送風管
３ 羽口
４ ランス
５ レースウェイ
６ 微粉炭
７ コークス
８ チャー
９ 搬送部
１０ 拡大部
１１ 切欠き部

Claims (8)

1. 羽口を経て高炉内に熱風を送風する送風管に差し込まれ、搬送気体と共に固体還元材を前記高炉の前記羽口内に吹き込むためのランスを有する高炉であって、
   前記ランスが、
   円管体からなり、前記固体還元材を前記搬送気体と共に搬送するための搬送部と、
   前記搬送部の前記固体還元材搬送方向先方に配置され、前記搬送部の外径よりも最大外径が大きい拡大部と、
   前記拡大部のうち前記固体還元材搬送方向先端部の２箇所に形成された切欠き部とを備え、
   前記切欠き部のうちの１つは、前記送風管の径方向中心に向けて開口しており、
   前記切欠き部のうちの残りの１つは、その反対側に向けて開口していることを特徴とする高炉。
2. 前記搬送部の外周長に対する前記２箇所の切欠き部の外周側円弧長の計の比は、０．２を超え、０．６以下としたことを特徴とする請求項１に記載の高炉。
3. 前記切欠き部の搬送部軸方向への深さは、０ｍｍを越え、１２ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉。
4. 前記拡大部の搬送部軸方向への長さは、前記切欠き部の搬送部軸方向への深さ以上、前記切欠き部の搬送部軸方向への深さ＋５ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の高炉。
5. 前記拡大部の搬送部軸方向への長さに対する前記拡大部の最大半径の前記搬送部外径からの半径の増加量の比は、０を超え、√３未満としたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の高炉。
6. 前記請求項１乃至５の何れか一項に記載の高炉の操業方法であって、
   前記固体還元材として微粉炭を用いることを特徴とする高炉操業方法。
7. 前記の微粉炭に、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材のうちの少なくとも１つを混合して用いることを特徴とする請求項６に記載の高炉操業方法。
8. 前記固体還元材中の微粉炭の割合が８０ｍａｓｓ％以上であることを特徴とする請求項７に記載の高炉操業方法。

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