JP6337613B2

JP6337613B2 - 高炉の操業方法

Info

Publication number: JP6337613B2
Application number: JP2014106971A
Authority: JP
Inventors: 大伊地知; 紘行道園; 啓司山本; 愛一郎坂本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2018-06-06
Anticipated expiration: 2034-05-23
Also published as: JP2015221928A

Description

本発明は、高炉の操業方法に関する。特に、低品位炭の高炉への吹き込みに関する。

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微粉炭は、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。二酸化炭素の排出低減のためには、高炉で使用する燃料の低下が必要である。
一方、製鉄所の高炉においては、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。

高炉に使用するＰＣは、石炭を粉砕して高炉羽口前のレースウェイに吹き込むものであるので、コークスの製造に必要な粘結性は必要でなく、非微粘結炭でもよい。

しかし、石炭の揮発分が高くなると、高炉に吹き込まれた揮発分が羽口前のレースウェイで熱分解し、煤となり、高炉操業や設備保全に支障をきたすことがある。また、石炭の灰分が高いと、高炉内のフライアッシュが増加し、高炉操業に支障をきたす。そこで、石炭化度の低く高揮発分の石炭、又は、灰分が高い石炭は、従来は、主に、火力発電所で使われており、高炉では、あまり使用されてこなかった。しかし、かかる石炭は、安価なので、高炉操業方法の工夫で、その使用量の増加が望まれていた。

高炉吹込み用微粉炭原料に適さない高灰分の石炭または高揮発分の石炭から、高炉羽口吹込み用微粉炭材を製造する方法に係る発明が開示されている（特許文献１）。高揮発分石炭を８００〜１１００℃で熱分解ガス化して生成したチャーを高炉羽口吹込み用微粉炭材として使用するものである。

特開２００７−１９１７６６号公報

特許文献１に記載の発明は、灰分が高く高揮発分の石炭を事前に熱分解し、揮発分を低減したチャーを高炉に吹き込むものであるが、設備費がかかり、チャーの製造コストも高いという問題がある。
高炉に吹き込まれる石炭は、通常、灰分が１２％以下で、揮発分は３０％以下である。事前の処理をすることなく、高炉の操業コントロールで、かかる低品位の一般炭を高炉に吹き込むことができれば、銑鉄製造コストの低下に貢献する。
本発明の目的は、高揮発分及び高灰分の低品位炭の羽口吹き込みを可能とする高炉の操業方法の提供である。

本発明者は、高揮発分で、高灰分の低品位炭の吹込みが高炉操業に及ぼす影響と対応策を研究し、かかる低品位炭の高炉での使用が可能であるという知見を得た。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＞揮発分３０質量％以上、灰分１２質量％以上を含有する低品位炭を吹き込む高炉の操業方法であって、
羽口前フレーム温度を２０４５℃以上とし、かつ、低品位炭の空気比を０．７３以上とすることを特徴とする高炉の操業方法。

本発明によれば、高炉において、高揮発分及び高灰分の低品位炭の羽口吹き込みが可能となる。

揮発分が高く、灰分の多い微粉炭を高炉に吹き込む場合のスカム発生のメカニズムを説明する図。ＰＣの空気比と炭種加味Ｔｆが、スカム発生に及ぼす影響を示す図。通常の高炉操業におけるＭ値を示す図。Ｍ値１２．５の高炉操業試験を示す図。Ｍ値１４．０の高炉操業試験を示す図。

（微粉炭の空気比と羽口前燃焼温度について）
揮発分３０質量％以上、灰分１２質量％以上を含有する低品位炭を高炉に吹き込むと、スカムを発生することがある。
図１に揮発分が高く、灰分の多い微粉炭を高炉に吹き込む場合のスカム発生のメカニズムを示す。石炭化度が低く、揮発分の高い微粉炭（以下「ＰＣ」と記すことがある。）は、高炉に吹き込まれると、羽口前のレースウェイで、タールその他の揮発分が熱分解し燃焼する。その吹き込み量が多くなると、揮発分の熱分解、燃焼が完了せず、煤を発生し、煤が高炉内を上昇する。
一方、微粉炭に含まれている灰分は、高融点のＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３を含むため、微粉炭の灰分が多いと、未溶融のフライアッシュとなり、高炉内を上昇する。
高炉内を上昇するフライアッシュや、高炉内を循環するＺｎＳは、高炉内を上昇する煤に付着し、スカムとなって高炉炉頂から炉外に排出される。

高炉から排出されるガスは、ＶＳ（ベンチュリー・スクラバー）等のガス洗浄装置により洗浄されるが、発生したスカムは、水中に混濁、沈殿し、洗浄装置の運転に障害を引き起こし、ひいては、高炉操業に支障をきたす。

揮発分が高く、灰分の多い微粉炭を高炉に吹き込む場合のスカム発生の防止のため、本発明者は、（１）揮発分の高い石炭をブローパイプ内で燃焼させ、羽口前レースウェイに、揮発分を極力、持ち込まないこと、（２）羽口前燃焼温度を高め、羽口前レースウェイに持ち込まれた揮発分の燃焼を促進し、煤の発生を少なくすること、を考えた。

（１）の対策として、微粉炭の空気比を高め、微粉炭の燃焼を促進する。
ＰＣの揮発分が高くなると、ＰＣの揮発分が未燃焼のまま羽口前レースウェイに持ち込まれ、レースウェイ内での煤の発生につながる。
そこで、本発明では、ブローパイプから吹き込まれるＰＣの揮発分を、ブローパイプ内で燃焼させるため、ＰＣの空気比を一定値以上とした。ＰＣ吹き込みランスの先端から羽口先端前面に至る間で、極力、燃焼させ羽口前レースウェイに持ち込む揮発分をできる限り少なくする。

式（２）にＰＣの空気比の計算式を示す。
空気比＝［Ｖ_{ｂｌａｓｔ}×０．２１＋Ｏ_２/６０＋ＰＣＩ/６０×ＰＣ中Ｏ_２/１００×２２．４/３２］／［ＰＣＩ/６０×（ＰＣ中Ｃ/１２＋ＰＣ中Ｈ）/１００×２２．４］・・・・・・・・・（２）
但し、Ｖ_{ｂｌａｓｔ}；送風流量（Nm^３／ｍｉｎ）、Ｏ_２；酸素富化流量（Nm^３／Ｈｒ）、ＰＣＩ；ＰＣ吹き込み量（ｋｇ／Ｈｒ）

尚、高炉では、羽口前のコークスの燃焼は、Ｃ＋（１／２）Ｏ_２＝ＣＯの反応が起こるので、ＣＯ_２までの完全燃焼を起こす空気比１．０に対し、ＣＯ燃焼までに必要な空気量は、０．５である。ＰＣ中のＣも同様でＰＣのＣＯ燃焼までに必要な空気量は、０．５である。

後述する高炉操業試験では、ＰＣの空気比を０．７３以上にすると、高炉炉頂から炉外に排出されるスカムの量が少なかった。ＰＣの空気比が０．７３とは、ＰＣをＣＯまでの燃焼に必要な空気量の１．５倍である。

次に（２）の対策として、羽口前レースウェイに持ち込まれた未燃焼の揮発分を、羽口前燃焼温度（以下、「Ｔｆ」と記すことがある。）を高め燃焼させれば、煤の発生が少なくなると考えられる。
そこで、揮発分３０質量％以上、灰分１２質量％以上を含有するＰＣの吹き込みでは、Ｔｆを一定値以上とした。

式（３）（４）（５）にＴｆの計算式を示す。ここで、本発明は、揮発分３０質量％以上、灰分１２質量％以上を含有する低品位炭であるから、Ｔｆの計算は、このことを考慮する必要がある。即ち、ＰＣの揮発分と灰分が高いことを加味した炭種加味のＴｆを計算した。

Ｔｆ=１５５９＋Ｔｂ×０．８３９−ＨＢ×６．０３３−３０１０×Ｍ_ＰＣ／１０００＋Ｏ_２/（Ｖ_{ｂｌａｓｔ}×６０）×４９７２−ＡＩＲ２（Ｖ_{ｂｌａｓｔ}×６０）×８７９・・・・（３）
Ｄ＝（２．２６５×ＱＢＵＮ＋２４２６）×（−１）・・・・・・・（４）
ＱＢＵＮ＝−０．８４２×ＰＣ中ＦＣ＋３．０７×ＰＣ中ＶＭ＋１−７．６×ＰＣ中Ｈ_２−３０・・・（５）
但し、Ｔｂ；送風流量（℃）、ＨＢ；加湿後送風湿度（ｇ／Nm^３）、
Ｍ_ＰＣ；ＰＣ濃度（ｇ／Nm^３）＝ＰＣ吹き込み量（ｋｇ／Hr）×１０^３÷Ｖ_{ｂｌａｓｔ}（Nm^３／ｍｉｎ）×６０
Ｏ_２；酸素富化流量（Nm^３／Ｈｒ）、Ｖ_{ｂｌａｓｔ}；送風流量（Nm^３／ｍｉｎ）、
ＡＩＲ２；ＰＣ搬送空気流量（Nm^３／Ｈｒ）
ＰＣＴ中ＦＣ；ＰＣ中の固定炭素（％）、ＰＣ中ＶＭ；ＰＣ中の固定炭素（％）、
ＰＣ中Ｈ_２；ＰＣ中の水素（％）

後述する高炉操業試験では、Ｔｆが２０４５℃以上で、スカムの発生が少なかった。

ここで、揮発分３０質量％以上、灰分１２質量％以上を含有するＰＣのうち、揮発分３５質量％以上又は灰分１５質量％以上を含有するＰＣを高炉に吹き込む場合に、本発明は、大きな効果を発揮する。

（融着帯根部溶解能力について）
揮発分が高く、灰分の多いＰＣの高炉への吹き込みの場合、Ｔｆが低いとＰＣ燃焼効率が低下し、煤だけでなく、未燃焼チャーが発生する。未燃焼チャーは、羽口前レースウェイの前にある炉芯コークスの空隙を埋め、目詰まりを引き起こす。また、炉内を上昇した未燃焼チャーは、鉱石層、融着体に捕捉され、通気性の悪化と、熱伝導の低下を引き起こし、融着体の溶解能力を低下させる。
そこで、本発明者等は、炉腹鉱石層厚あたりの熱ガス量を計算する融着帯根部溶解能力を示す指数（Ｍ値）を考え、Ｍ値を一定値以上とした。

式（１）にＭ値の計算式を示す。
Ｍ=Ｔｆ×Ｖ_ｂｏｓｈ／（ｈ×Ｖ_{ｉｎｎｅｒ}）・・・・・・（１）
ただし、Ｔｆ；羽口前温度（℃）、Ｖ_ｂｏｓｈ；ボッシュガス量（ｍ^３/min）、
ｈ；炉腹鉱石層厚、Ｖ_{ｉｎｎｅｒ}；高炉内容積（ｍ^３）である。

通常の高炉操業では、Ｍ値が１３．５以上であれば、操業は安定している（後述する図３参照）。

（微粉炭の空気比と羽口前燃焼温度について）
内容積約５０００ｍ^３の高炉において、揮発分３０質量％以上、灰分１２質量％以上のＰＣを吹き込み、ＰＣ空気比とＴｆを変更し、スカムの発生の有無を調査した。
図２に、ＰＣの空気比とＴｆが、スカム発生に及ぼす影響について調査した結果を示す。ＰＣの空気比が０．７３以上で、かつ、Ｔｆが２０４５℃以上で、スカムの発生が無かった。

（融着帯根部溶解能力について）
図３に、内容積約５０００ｍ^３の高炉において、揮発分３０質量％以上、灰分１２質量％以上のＰＣの吹き込みに際し、融着帯根部溶解能力の指標であるＭ値を示す。通常の操業においては、M値は、１３．５〜１８の範囲で操業している（●印）。
当該高炉において、融着帯根部溶解能力の指標であるＭ値を変更する試験を行った。試験結果を○印で示す。

図４は、Ｍ値１２．５の高炉操業である（図３の○印）。ＰＣ比１６０ｋｇ／ｔの操業で、Ｍ値を通常操業の１６から１２．５に変更したところ、Ｍ値１２．５の装入が、羽口前に到達する前に、ηCOの低下、ソリューションロスC（ＳＬＣ）及び炉体熱付加の上昇があり、不安定な操業になった。その結果、Ｍ値１２．５の装入が羽口前を通過した後に、溶銑温度が急低下した。

図５は、Ｍ値１４．０の高炉操業である（図３の○印）。ＰＣ比１５０ｋｇ／ｔの操業で、M値を通常操業の１６から１４．０に変更したところ、M値１４．０の装入が、羽口前に到達してもηCO、ソリューションロスＣ（ＳＬＣ）、炉体熱付加の変動は小さく、安定した操業を維持することができた。
以上の高炉操業試験及び通常の操業テータ（図３）より、Ｍ値が１３．５以上であれば、操業は安定することが分かった。

高揮発分及び高灰分の低品位炭の羽口吹き込みを可能とする高炉操業に利用することができる。

Claims

揮発分３０質量％以上、灰分１２質量％以上を含有する低品位炭を吹き込む高炉の操業方法であって、
羽口前フレーム温度を２０４５℃以上とし、かつ、低品位炭の空気比を０．７３以上とすることを特徴とする高炉の操業方法。