JP6322033B2 - 高炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉の操業方法に関する。特に炉中段部に設けた羽口から還元性ガスを吹き込む際に、還元性ガスを炉内で最大限に活用する装入物装入方法についての高炉操業方法に関する。

高炉法は鉄鋼業における銑鉄製造工程の主流を担い、粗鋼生産の約８０％の鉄源供給を支えている。高炉における銑鉄製造には、コークスをはじめとする炭材が必須であるが、種々の技術革新によって操業効率は飛躍的に向上し、銑鉄トン当たりの炭材使用量（以降、「還元材比」と称す）は、５００ｋｇを下回るレベルに至っている。

ところが、近年、地球温暖化防止が叫ばれ、温室効果ガスの一つである二酸化炭素（ＣＯ₂）の排出量削減が社会問題になっている。ＣＯ₂排出量において主要な産業のひとつである鉄鋼業は、その社会的要請に応えねばならず、鉄鋼製造において多量の炭材を使用する高炉操業での更なる削減が急務となっている。

高炉操業における炭素の役割の一つである還元材機能を水素に担わせることで、炭素使用量を削減する方法がある。すなわち、天然ガス（以下、「ＬＮＧ」と記す。）やコークス炉ガス（以下、「ＣＯＧ」と記す。）など水素を含む還元性ガスを高炉に吹き込む操業である。

還元性ガスとしてコークス炉の乾留過程で発生するＣＯＧを改質して水素濃度を高めた改質ＣＯＧ及び高炉炉頂排ガスからＣＯ₂を分離した改質ガスを高炉の下部あるいは中部から吹き込むＣＯ₂低減技術について開発が進められている（非特許文献１）。

ＣＯＧを改質して水素濃度を高めた改質ＣＯＧに関する発明は多数あるが、とりわけ、高炉のＣＯ₂排出量削減を目的とした高炉操業方法が開示されている（特許文献１）。

還元性ガスをシャフト部から吹き込むに際しては、吹き込まれたガスが炉の炉壁近傍を上昇し、炉の内部深くに届かないという、問題がある。
これに対しては、高炉の少なくともシャフト部から改質ＣＯＧを吹き込むと共に、焼結鉱を炉内に装入するに当たっては、還元粉化指数（ＲＤＩ）の低い焼結鉱を炉壁側の位置に、そして還元粉化指数（ＲＤＩ）の高い焼結鉱を炉中心側の位置に装入して操業することを特徴とする高出銑比高炉操業方法の開示がある（特許文献２）。

特開２０１１−２２５９６９号公報 特開２０１３−１４７６９２号公報

http:／／jisf.or.jp／course５０／technology０１、「環境調和型製鉄プロセス技術開発に関する研究」

特許文献１に記載の発明は、高炉炉頂排ガスからＣＯ₂（および／またはCO）を分離回収し、これにＨ₂を添加してＣＨ_４に転換処理した後、再び高炉に吹き込むものであるが、ＣＨ_４転換装置が新たに必要なことと、単にＣＨ_４を吹き込むだけでは高炉の炭素消費量を充分に削減し得ないことに課題がある。

特許文献２に記載の発明は、改質ＣＯＧはＨ₂を多く含み、焼結鉱の還元粉化を促進するため、炉壁近傍を上昇するシャフト部から吹き込まれた改質ＣＯＧは、炉壁近傍の焼結鉱の還元粉化を促進する。その対策として、還元粉化率の小さな焼結鉱を炉壁近傍に装入するものである。しかし、シャフト部から吹き込まれた改質ＣＯＧを炉内全体で利用しようとするものではない。

シャフト部から還元ガスを吹き込む高炉操業は、高炉羽口からＣＯＧ又はＬＮＧを吹き込む操業とは異なる課題がある。即ち、高炉羽口からＣＯＧ又はＬＮＧは、羽口前レースウェイで燃焼するが、シャフト部から還元ガスを吹き込む高炉操業は、レースウェイに相当するものはないという問題がある。

本発明の目的は、炉中段部に設けた羽口から還元性ガスを吹き込む際に、還元性ガスを炉内で最大限に活用する装入物装入方法を採用することにより、ＣＯ_２排出量の削減を可能とする高炉の操業方法を提供することである。

本発明者は、高炉のシャフト部に設けた羽口（以下、「シャフト部羽口」と記す。）から還元性ガスを炉内に吹き込む高炉操業において、炉壁近傍に小粒径の鉄鉱石を装入することによりＣＯ₂排出量を大幅に削減し、かつ、長期かつ安定に高炉操業が可能であることを見出した。

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＞ 高炉のシャフト部羽口から還元性ガスを炉内に吹き込む高炉操業において、
炉頂部における無次元半径を、中心部を１とし炉壁面を０とした際に、無次元半径０からＺの範囲まで小粒鉄鉱石を装入し、Ｚは０．０５以上０．２００以下の範囲であり、前記小粒鉄鉱石は、平均粒径が、全体の鉄鉱石の平均粒径に対して０．３倍以上０．６倍以下の鉄鉱石であることを特徴とする高炉の操業方法。
＜２＞前記還元性ガスが、天然ガス（ＬＮＧ）を改質して水素濃度を高めた改質ＬＮＧ、コークス炉ガス（ＣＯＧ）を改質して水素濃度を高めた改質ＣＯＧ、及び高炉の炉頂排ガスから二酸化炭素および水蒸気を取り除いた改質炉頂排ガスの少なくともいずれかであることを特徴とする＜１＞に記載の高炉の操業方法。
＜３＞ 通常羽口から、微粉炭、コークス炉ガス（ＣＯＧ）、天然ガス（ＬＮＧ）、前記改質ＣＯＧ及び前記改質炉頂排ガスの少なくともいずれかを吹き込み、
シャフト部に設けた羽口から、還元性ガスを炉内に吹き込むことを特徴とする＜１＞または＜２＞に記載の高炉の操業方法。

炉中段部に設けた羽口から還元性ガスを吹き込む際に、還元性ガスを炉内で最大限に活用する装入物装入方法を採用することにより、ＣＯ₂排出量の削減を図る高炉操業方法を提供することができる。

本発明に係るプロセスフローの概念の一例を示す図。 本発明に係る装入物装入方法の一例を示す図。 炉頂での半径方向の無次元焼結鉱粒径を示す図。 小粒焼結鉱の装入範囲Ｚが高炉操業成績に及ぼす影響を示す図。図４（Ａ）は、炭素消費原単位（ｋｇ／ｔ）に及ぼす影響を示す。図４（Ｂ）は、ＣＯガス利用率（％）に及ぼす影響を示す。図４（Ｃ）は、Ｈ_２ガス利用率（％）に及ぼす影響を示す。

図１に、本発明に係るプロセスフローの概念の一例を示す。コークス１と鉄鉱石２は、交互に層状に高炉に装入される。通常羽口３からは、熱風と微粉炭が吹き込まれ、更に、ＣＯＧ４が吹き込まれる。一部の炉頂排ガス（ＢＦＧ）５は、二酸化炭素および水蒸気を取り除き改質された改質炉頂排ガス６とし、通常羽口３及びシャフト部羽口７から炉内に吹き込まれる。

本発明において、通常羽口３から吹き込まれるものとしては、熱風の他に微粉炭、ＣＯＧ、ＬＮＧ、改質ＣＯＧ及び改質炉頂排ガスがある。改質ＣＯＧとは、ＣＯＧを改質して水素濃度を高めたガスをいう。また、改質炉頂排ガスとは、高炉の炉頂排ガスから二酸化炭素および水蒸気を取り除き、還元性を高めたガスをいう。

本発明において、シャフト部羽口７から炉内に吹き込まれるガスとしては、ＬＮＧ、改質ＣＯＧ、改質炉頂排ガスがある。

シャフト部から還元ガスを吹き込む高炉操業においては、羽口前レースウェイで燃焼し発生するレースウェイガスは、炉芯深く浸透し、炉断面の全面を上昇し、鉱石還元に寄与する。これに対し、シャフト部から吹き込まれる還元ガスは、羽口前レースウェイに相当するものはなく、炉内部に浸透することが難しく、炉壁近傍を上昇すると考えられる。その結果、還元ガスは、炉断面の全面に利用されることがないと考えられる。
そこで、本発明では、炉頂の装入物装入方法において、炉壁近傍に小粒径の鉄鉱石（以下、小粒鉄鉱石と記す。）を装入し、炉壁近傍の通気抵抗を高め、還元ガスの炉内への浸透を促進させる考え方である。ここで小粒鉄鉱石の平均粒径は後述する。

図２に、本発明に係る装入物装入方法の一例を示す。炉壁近傍に小粒鉄鉱石を装入する。具体的には、例えば、ベルレス高炉において、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｏ_１，Ｏ_２の装入物装入方法で、Ｏ_２を小粒鉄鉱石にすることにより、図２の装入物形状をとることができる。
ここに、炉壁近傍とは、炉頂部における炉中心部を１とし炉壁面を０とした際に、「炉壁面０から０．０５の範囲」以上「炉壁面０から０．２００の範囲」以下である。実施例で後述するように、この範囲で炭素消費原単位が最も少なくなるという操業効果が得られる。

本発明において、小粒鉄鉱石の平均粒径は、全体の鉄鉱石の平均粒径に対して０．３倍以上０．６倍以下である。この範囲とするのは、この範囲未満では、鉄鉱石の平均粒径が細粒となり過ぎて炉壁近傍の通気抵抗が増加しすぎ、炉全体の通気抵抗が増加しすぎて操業上望ましくないからである。この範囲を超えると炉壁近傍の通気抵抗を高める効果が弱まり、還元ガスの炉内への浸透が弱まる。また、小粒鉄鉱石の準備の点からもこの範囲が適切である。

本実施例では、微粉炭を通常羽口より吹き込む通常の高炉操業に対して、通常羽口からＣＯＧ４及び改質炉頂排ガス６を吹き込み、且つ、シャフト部羽口７から改質炉頂排ガス６を吹き込む操業を想定し、高炉数値解析技術に基づく高炉操業シミュレーションにより、本発明の効果を検討した。シミュレーションには、K. Takatani, T. Inada, Y. Ujisawa : ISIJ International, 39, (1999), p15などに示される所謂「高炉数学モデル」を用いた。

表1に、微粉炭を通常羽口より吹き込む通常の高炉操業（ベース操業）を示す。

*) 以降の操業シミュレーションにおいて固定値扱いとした。

小粒鉄鉱石８は、小粒径の焼結鉱（以下、小粒焼結鉱と記す。）を用いた。小粒焼結鉱を壁際に装入する範囲が、シャフトから吹き込む還元ガスの炉内浸透性やガス利用率にどのように影響するかをシミュレーションにより検討した。
図３に、シミュレーションで設定した炉頂での半径方向の焼結鉱の粒径を示す。

図３中の横軸は、高炉の炉頂での無次元半径位置を示す。炉頂部における炉中心部を１とし炉壁面を０とした際の炉半径方向の位置である。図中のＺは、小粒焼結鉱を装入する範囲を示す。例えば、Ｚ=０．１３３とは、炉頂部における炉中心部を１とし炉壁面を０とした際に、「炉壁面０から０．１３３の範囲」に小粒焼結鉱を装入することを示す。即ち、「炉壁面０から０．１３３の範囲」に小粒焼結鉱を装入することをＺ=０．１３３と表示した。

図３の縦軸は、装入する焼結鉱の平均粒径を1としたときの無次元原料粒径である。シミュレーションにおいては、小粒焼結鉱の無次元焼結鉱粒径を０．６とした。
図３に示す原料の高炉への装入方法を表２に示す。
通常操業は、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｏ_１，Ｏ_２の装入パターンで、Ｃ_１(21ton), Ｃ_２(3ton)，Ｏ_１(100 ton)，Ｏ_２(20ton)を装入する。Ｏ_１(100ton)，Ｏ_２(20ton)の粒径は、焼結鉱平均のものであり、小粒焼結鉱の装入は無い。
Ｚ＝０．０６７〜Ｚ＝０．２６６の装入では、Ｏ_２を鉄鉱石平均の０．６倍の小粒焼結鉱専用ダンプとし、Ｚ＝０．０６７からＺ＝０．１３３, Ｚ＝０．２００， Ｚ＝０．２６６へとＯ_２の装入範囲を広げるに従い、Ｏ_２の量を1.5 ton, 11.3 ton, 25.4ton, 39.9 tonに増やし、それに従ってＯ_１の量を減少させた。
ここで、装入の焼結鉱の平均粒径は、Ｚの値によらず一定である。

表３にシミュレーションに用いたＣＯＧ及び改質炉頂排ガスを示す。また、表４に、用いたＣＯＧの成分、表５に、改質炉頂排ガスの成分の一例を示す。また、改質炉頂排ガスの高炉内への吹き込み位置は、ガス還元が活発に進行する場所とするのが効果的であり、表１に示す通常操業時で計算された炉内温度1100℃に対応する位置とした。

図４（Ａ）に、炭素消費原単位（kg／t）に及ぼす影響を示す。改質炉頂排ガスの吹き込み量が200 Nm³/t-pig, 400 Nm³/t-pigのときは、通常操業と比べて炭素消費原単位が大きく低下しているが、小粒焼結鉱を壁際に装入することで更に炭素消費原単位が低下している。そして、小粒焼結鉱の装入範囲Ｚが０．０５〜０．２００で、炭素消費原単位は低下している。Ｚは、炉壁からの範囲であるから、「炉壁面０から０．０５の範囲」以上「炉壁面０から０．２００の範囲」以下に、小粒焼結鉱を装入することにより、炭素消費原単位は低下する。
ここで、図４の通常操業とは、改質炉頂排ガス６の吹き込みなしの操業であり、装入物装入方法は、表２に示すように小粒焼結鉱の装入範囲を広げるに従い、Ｏ_２の量を1.5ton, 11.3ton, 25.4ton, 39.9tonに増やし、それに従ってＯ_１の量を減少させた。

図４（Ｂ）は、ＣＯガス利用率（％）に及ぼす影響を示す。図４（Ｃ）は、Ｈ_２ガス利用率（％）に及ぼす影響を示す。Ｚの変化に対し、炭素消費原単位の低下に対応してＣＯガス利用率（％）及びＨ_２ガス利用率（％）が向上した。

CO₂排出量を削減し、かつ、商用高炉において長期かつ安定に銑鉄製造が可能な高炉の操業方法を提供することができる。

１…コークス、２…鉄鉱石、３…通常羽口、４…ＣＯＧ、５…炉頂排ガス、６…改質炉頂排ガス（循環用）、７…シャフト部羽口、８…小粒鉄鉱石。

Claims (3)

1. 高炉のシャフト部羽口から還元性ガスを炉内に吹き込む高炉操業において、
   炉頂部における無次元半径を、炉中心部を１とし炉壁面を０とした際に、無次元半径０からＺの範囲まで小粒鉄鉱石を装入し、Ｚは０．０５以上０．２００以下の範囲であり、前記小粒鉄鉱石は、平均粒径が、全体の鉄鉱石の平均粒径に対して０．３倍以上０．６倍以下の鉄鉱石であることを特徴とする高炉の操業方法。
2. 前記還元性ガスが、天然ガス（ＬＮＧ）を改質して水素濃度を高めた改質ＬＮＧ、コークス炉ガス（ＣＯＧ）を改質して水素濃度を高めた改質ＣＯＧ、及び高炉の炉頂排ガスから二酸化炭素および水蒸気を取り除いた改質炉頂排ガスの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の高炉の操業方法。
3. 通常羽口から、微粉炭、コークス炉ガス、天然ガス、前記改質ＣＯＧ及び前記改質炉頂排ガスの少なくともいずれかを吹き込み、
   シャフト部に設けた羽口から、還元性ガスを炉内に吹き込むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高炉の操業方法。

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