JP6538636B2

JP6538636B2 - 高炉操業方法及び高炉設備

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Publication number: JP6538636B2
Application number: JP2016212344A
Authority: JP
Inventors: 石井　純; 純石井; 村井　亮太; 亮太村井; 佐藤　健; 健佐藤; 鷲見　郁宏; 郁宏鷲見
Original assignee: JFE Steel Corp; Kobe Steel Ltd; Nippon Steel Corp; Nippon Steel Nisshin Co Ltd; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; Kobe Steel Ltd; Nippon Steel Corp; Nippon Steel Nisshin Co Ltd; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2036-10-28
Also published as: JP2018070952A

Description

本発明は、ＣＯ_２排出量を大幅に削減可能な高炉操業方法とその実施に好適な高炉設備に関する。

近年、ＣＯ_２排出量の増加による地球温暖化を抑制するため、ＣＯ_２排出量の削減が強く求められている。特に鉄鋼業はＣＯ_２を多量に発生する産業であり、ＣＯ_２発生量を効率的に抑制する手法の開発が重要な課題となっている。製鉄所においては、高炉からのＣＯ_２排出量が非常に多いため、高炉の効率的な運転方法の確立が非常に重要である。
高炉からのＣＯ_２排出量の抑制方法について、例えば、特許文献１には、還元材の一部として反応性の高いフェロコークスを使用する方法が示されている。

また、特許文献２には、高炉炉頂部から排出された高炉ガスを除塵・洗浄した後、水性シフト反応により改質することで水分とＣＯ_２を取り除き、これを８５０℃以上に加熱した後、還元ガスとして高炉シャフト部から炉内に吹込む方法が示されている。この特許文献２の方法では、高炉ガスのＣＯを再循環させて還元剤として利用することにより、高炉操業おけるコークス比（溶銑１トンの製造に必要なコークス量）を低減することが可能であるとしている。

特開２０１１−１４９０９０号公報特表２０１５−５１００３０号公報

大野ら、「シャフト上部予熱ガス吹込みを併用した酸素高炉プロセスの開発」、鉄と鋼、１９８９年、Vol.７５、No.８

しかしながら、特許文献１のようにフェロコークス等の反応性の高い還元材を使用する方法は、還元材製造のための設備を必要とするため、巨額の設備投資が必要になる問題がある。
また、特許文献２の方法では、高炉シャフト部から吹き込まれる還元ガス（高炉ガスからＣＯ_２を除去したガス）が炉壁部周辺に沿って上昇し、炉中心部側まで浸透しないと考えられる（非特許文献１参照）。すなわち、炉壁部周辺は壁効果によって固体の充填密度が低下しているため、還元ガスが通過し易い。このため高炉シャフト部から吹き込まれた還元ガスは、炉中心部側まで浸透することなく、主に炉壁部周辺に沿って流れることになる。その結果、還元ガスと固体との接触が少ないため還元反応が効率的に進まないという問題がある。

したがって本発明の目的は、高炉炉頂部から排出された高炉ガスの少なくとも一部を、ＣＯ_２を分離除去する工程及び加熱して昇温させる工程を経て、還元ガスとして高炉シャフト部から吹き込むことにより高炉に対して循環させる高炉操業において、吹き込まれた還元ガス（循環高炉ガス）が炉壁部周辺に偏流せずに、炉中心部側にも浸透して流れるようにし、これにより吹き込まれた還元ガスによる固体の還元反応を効率的に進行させることができる高炉操業方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、そのような高炉操業方法の実施に好適な高炉設備を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するため検討を重ねた結果、高炉シャフト部において還元ガス（循環高炉ガス）の吹き込み部の上方位置（好ましくは真上位置）から予熱ガスを吹き込むことが有効であることを見出した。すなわち、高炉シャフト部から吹き込まれた還元ガス（循環高炉ガス）は炉壁部周辺を上昇するが、予熱ガスの吹き込み部よりも上方の領域では、吹き込まれた予熱ガスが炉壁部周辺を優先的に流れるため、予熱ガスの吹込み部に達した還元ガス（循環高炉ガス）は、その予熱ガス流の外側、すなわち炉中心部側にも浸透して流れることが判った。また、予熱ガスを吹き込むことにより、炉上部の昇温速度を上昇させ、鉱石類の還元粉化を抑制することができるという副次的な効果も得られる。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
［1］高炉炉頂部から排出された高炉ガスの少なくとも一部を、ＣＯ_２を分離除去する工程及び加熱して昇温させる工程を経て、高炉シャフト部に設けられたガス吹き込み部（A）から還元ガスとして炉内に吹込むことにより高炉に対して循環させる高炉操業方法であって、
高炉シャフト部において、ガス吹き込み部（A）よりも上方位置に設けられたガス吹き込み部（B）から予熱ガス（x）を炉内に吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。
［2］上記［1］の高炉操業方法において、炉周方向位置において、ガス吹き込み部（B）がガス吹き込み部（A）の真上に位置することを特徴とする高炉操業方法。

［3］上記［1］又は［2］の高炉操業方法において、ガス吹き込み部（B）では、燃料ガスを燃焼させ、その燃焼ガスを予熱ガス（x）として炉内に吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。
［4］上記［3］の高炉操業方法において、燃料ガスが高炉ガスであることを特徴とする高炉操業方法。
［5］上記［3］又は［4］の高炉操業方法において、ガス吹き込み部（B）に、燃焼ガスの温度を調整する希釈ガスとして高炉ガスを供給することを特徴とする高炉操業方法。

［6］高炉シャフト部に設けられたガス吹き込み部（A）と、高炉炉頂部から排出された高炉ガスの少なくとも一部をガス吹き込み部（A）に供給するガス流路（1）と、該ガス流路（1）の途中に上流側から順に設けられるＣＯ_２分離除去装置（2）及びガス加熱装置（3）を備え、高炉炉頂部から排出された高炉ガスの少なくとも一部を、ＣＯ_２分離除去装置（2）でＣＯ_２を分離除去する工程及びガス加熱装置（3）で加熱して昇温させる工程を経て、ガス吹き込み部（A）から還元ガスとして炉内に吹込むことで高炉に対して循環させるようにした高炉設備であって、
高炉シャフト部において、ガス吹き込み部（A）よりも上方位置に、予熱ガス（x）を炉内に吹き込むためのガス吹き込み部（B）が設けられたことを特徴とする高炉設備。
［7］上記［6］の高炉設備において、炉周方向位置において、ガス吹き込み部（B）がガス吹き込み部（A）の真上に位置することを特徴とする高炉設備。

［8］上記［6］又は［7］の高炉設備において、ガス吹き込み部（B）が、燃料ガスを燃焼させ、その燃焼ガスを予熱ガス（x）として炉内に吹き込む燃焼バーナー（4）で構成されることを特徴とする高炉設備。
［9］上記［8］の高炉設備において、高炉炉頂部から排出された高炉ガスの一部を、燃料ガスとして燃焼バーナー（4）に供給するガス流路（5）を有することを特徴とする高炉設備。
［10］上記［9］の高炉設備において、ガス流路（5）から分岐し、ガス流路（5）を流れる高炉ガスの一部を燃焼ガスの希釈ガスとして燃焼バーナー（4）に供給するガス流路（6）を有することを特徴とする高炉設備。

本発明によれば、高炉炉頂部から排出された高炉ガスの少なくとも一部を、ＣＯ_２を分離除去する工程及び加熱して昇温させる工程を経て、高炉シャフト部に設けられたガス吹き込み部（A）から還元ガスとして炉内に吹込むことにより高炉に対して循環させる高炉操業方法において、ガス吹き込み部（A）よりも上方位置に設けられたガス吹き込み部（B）から予熱ガス（x）を炉内に吹き込むようにしたので、ガス吹き込み部（B）から吹き込まれた予熱ガス（x）が炉壁部周辺を優先的に流れ、ガス吹き込み部（A）から吹き込まれた還元ガスは、その予熱ガス（x）のガス流の外側（炉中心部側）を流れることになるため、還元ガスは炉中心部側にも浸透して流れることになる。このようにガス吹き込み部（A）から吹き込まれた還元ガスが、空隙率が小さい炉中心部側にも浸透して流れることにより、吹き込まれた還元ガスを固体と効率よく接触させることができ、固体の還元反応を効率的に進行させることができる。このため、従来に比べてＣＯ_２発生量を大幅に削減することができる。また、高炉上部での予熱ガス吹込みにより、炉内を通過するガスの線速度が上昇するため、炉上部の鉱石類の昇温速度が上昇し、鉱石類の還元粉化領域（４００℃〜７００℃）における滞留時間を減少することができるため、鉱石類の反応性を変えずに還元粉化のみを抑制することができるという副次的効果も得ることができる。

本発明の高炉操業方法と高炉設備の一実施形態を模式的に示す説明図図１のガス吹き込み部Ｂの詳細を示す説明図

本発明は、高炉炉頂部から排出された高炉ガスの少なくとも一部を、ＣＯ_２を分離除去する工程及び加熱して昇温させる工程を経て、高炉シャフト部に設けられたガス吹き込み部Ａから還元ガスとして炉内に吹込むことにより高炉に対して循環させる高炉操業方法であり、このような高炉操業方法において、高炉シャフト部においてガス吹き込み部Ａよりも上方位置に設けられた、好ましくは真上位置に設けられたガス吹き込み部Ｂから予熱ガスxを炉内に吹き込むものである。なお、以下の説明において、ガス吹き込み部Ａから炉内に吹込むガスを「循環高炉ガス」という。

図１は、本発明の高炉操業方法と高炉設備の一実施形態を模式的に示す説明図であり、図２は図１のガス吹き込み部Ｂの詳細を示す説明図である。
なお、本実施形態は、空気または酸素富化空気を羽口送風する高炉操業、すなわち普通高炉の操業である。酸素富化空気を羽口送風する場合には、通常、酸素富化率２０体積％以下、好ましくは１０体積％以下での操業が行われる。
図において、Ａは高炉シャフト部１０のシャフト下部に設けられるガス吹き込み部（ガス吹き込み口）であり、このガス吹き込み部Ａは炉周方向において所定の間隔で複数（通常、１０〜２０箇所程度）設けられる。このガス吹き込み部Ａには、ガス流路１を通じて高炉炉頂部から排出された高炉ガスの一部が供給される。このガス流路１の途中には、上流側から順にＣＯ_２分離除去装置２とガス加熱装置３が設けられ、ガス流路１を流れる高炉ガス（循環高炉ガス）は、ＣＯ_２分離除去装置２でＣＯ_２を分離除去する工程及びガス加熱装置３で加熱して昇温させる工程を経て、ガス吹き込み部Ａから還元ガスとして炉内に吹込まれる。

ＣＯ_２分離除去装置２においてＣＯ_２を分離除去する方法は、ＰＳＡ法などの吸着分離法、化学吸収法、化学改質法など任意である。このＣＯ_２分離除去装置２を経た循環高炉ガスは、ＣＯを３０〜４０vol％、Ｈ_２を５~１２vol％程度含む還元ガスとなる。
ガス加熱装置３においてガスを加熱する方式も、電気ヒーター方式、間接加熱バーナー方式など任意である。このガス加熱装置３では、循環高炉ガスが７００〜９００℃程度に加熱され、そのまま還元ガスとしてガス吹き込み部Ａ（ガス吹き込み口）から炉内に吹き込まれる。

循環高炉ガス（還元ガス）の吹き込みを行うガス吹き込み部Ａは、通常、高炉シャフト部１０のシャフト下部に設けられるが、そのなかでも高炉融着帯上部に該当する位置に設けることが望ましい。高炉融着帯は鉱石が溶融状態にある領域であり、１２００℃〜１４００℃の温度領域である。高炉融着帯は高炉シミュレーションモデルにより算出することができる。
循環高炉ガス（還元ガス）の吹き込み量に特別な制限はないが、吹き込み量が多すぎると炉下部における還元ガスの流量が減少して熱流比が高くなり、炉冷の恐れがあるため、４００ｍ^３／溶銑ｔ以下とするのが好ましい。

ガス吹き込み部Ａよりも上方位置の高炉シャフト部１０（高炉シャフト部１０のシャフト中部〜上部）に、予熱ガスxを炉内に吹き込むためのガス吹き込み部Ｂ（ガス吹き込み口）が設けられており、本発明では、このガス吹き込み部Ｂから予熱ガスｘを炉内に吹き込む。
このガス吹き込み部Ｂは、ガス吹き込み部Ａと同様、炉周方向において所定の間隔で複数（通常、１０〜２０箇所程度）設けられるが、特に、炉周方向位置において各ガス吹き込み部Ａの真上に設けることが好ましく、これにより、炉内において予熱ガスｘのガス流れを循環高炉ガスのガス流れに対してより効果的に干渉させることができ、本発明の効果を高めることができる。

ガス吹き込み部Ｂから炉内に吹き込まれる予熱ガスxは、所定の温度に予熱（加熱）されたガスであれば種類を問わないが、燃料ガスを燃焼させ、その燃焼ガスを予熱ガスｘとして用いるのが好ましく、特に高炉ガスを燃料ガスとするのが簡便である。
このため本実施形態でも、ガス吹き込み部Ｂを、燃料ガスを燃焼させ、その燃焼ガスを予熱ガスxとして炉内に吹き込む燃焼バーナー４で構成するとともに、高炉炉頂部から排出された高炉ガスの一部を、ガス流路５を通じて燃焼バーナー４に燃料ガスとして供給するようにしている。燃焼バーナー４には、燃料ガスである高炉ガスとともに支燃ガス（酸素、空気など）が供給される。なお、燃料ガス（高炉ガスなど）と支燃ガスが予混合され、この予混合ガスが燃焼バーナー４に供給されるようにしてもよい。
燃焼バーナー４は、先端が開放された管状の燃焼室を炉内部と連通させるようにして炉体に取り付けられている。
なお、燃料ガスとしては、高炉ガス以外のガスを用いてもよく、また、高炉ガスとそれ以外のガス（例えば、コークス炉発生ガス）を混合して用いてもよい。

ガス吹き込み部Ｂから炉内に吹き込む予熱ガスxの温度に特別な制限はないが、通常、７００℃以上１０００℃未満とすることが好ましい。７００℃未満は鉱石の還元粉化温度域であるため、予熱ガス温度が７００℃未満では、鉱石の還元粉化を助長させる恐れがある。一方、予熱ガス温度が１０００℃以上では、予熱ガスにＣＯ_２が含まれると、このＣＯ_２とコークス中のカーボンがソルーションロス反応を生じやすくなり、コークスの劣化が生じてしまう。

予熱ガス温度を調整するには、例えば、使用する燃料ガスの組成を変えてガス熱量を調整する、所定の範囲内で空気比を調整するなどのほか、燃焼ガスに希釈ガスを添加するとともに、その供給量や温度を調整するようにしてもよい。
本実施形態でも、ガス流路５を流れる高炉ガス（通常、ガス温度１２０℃前後）の一部が、ガス流路５から分岐したガス流路６を通じて燃焼バーナー４に供給され、燃焼ガスの希釈ガスとして用いられる。

燃焼バーナー４には、希釈ガスを燃焼室内に供給するためのガスノズル（図示せず）が設けられている。このガスノズルは、燃焼ガスを希釈するガスを供給するものであるため、燃焼室内でのガス燃焼を妨げない位置、例えば、燃焼室長手方向の中央位置よりも燃焼室先端寄りの位置に設けられる。
なお、本実施形態では、各ガス吹き込み部Ｂを燃焼バーナー４で構成しているが、例えば、複数のガス吹き込み部Ｂに対して１つの燃焼バーナー４を設け、燃焼バーナー４がヘッダー管を介して各ガス吹き込み部Ｂに接続されるようにしてもよい。

予熱ガスxの吹き込み量にも特別な制限はないが、ガス吹き込み部Ｂから予熱ガスｘを吹き込む狙いは、予熱ガスxが炉壁部周辺を優先的に流れ、炉壁部周辺を下方（ガス吹き込み部Ａ）から上昇してくる循環高炉ガスがその外側（炉中心部側）を流れるようにすることにあるので、循環高炉ガスの吹き込み量との関係で好適な吹き込み量とすることが好ましい。具体的には、ガス吹き込み部Ａからの循環高炉ガスの吹き込み量の１／３以上とすることが望ましい。
また、予熱ガスxの吹き込みを行うガス吹き込み部Ｂは、通常、高炉シャフト部１０のシャフト中部〜上部に設けられるが、予熱ガス吹き込み時の炉壁部（炉内壁面）温度が予熱ガス温度とほぼ一致する高さに設けることが望ましく、このような設置高さは高炉伝熱シミュレーションモデルにより決定することが可能である。

なお、炉頂部から排出された高炉ガスは、図示しないガス清浄装置（例えば、ダクトキャッチャー、ミストセパレータなど）で清浄化された後、その一部が昇圧機（図示せず）で昇圧されてガス流路１及びガス流路５に導入される。
その他図面において、７は熱風炉であり、この熱風炉７で酸素富化空気の熱風（温度１１００〜１３００℃程度）が生成し、この熱風とともに補助還元材（微粉炭など）が高炉羽口部Ｃから炉内に吹き込まれる。

本発明によれば、図１に示されるように、ガス吹き込み部Ｂから吹き込まれた予熱ガスxが炉壁部周辺を優先的に流れ（予熱ガス流れｇ_１）、炉壁部周辺を下方（ガス吹き込み部Ａ）から上昇してくる循環高炉ガス（循環高炉ガス流れｇ_２）はその外側を（炉中心部側）を流れることになるため、循環高炉ガスは炉中心部側にも浸透して流れることになる。そして、このようにガス吹き込み部Ａから吹き込まれた循環高炉ガス（還元ガス）が、空隙率が小さい炉中心部側にも浸透して流れることにより、吹き込まれた循環高炉ガス（還元ガス）を固体と効率よく接触させることができ、固体の還元反応を効率的に進行させることができる。また、高炉上部での予熱ガスxの吹込みにより、炉内を通過するガスの線速度が上昇するため、炉上部の鉱石類の昇温速度が上昇し、鉱石類の還元粉化領域（４００℃〜７００℃）における滞留時間を減少することができるため、鉱石類の反応性を変えずに還元粉化のみを抑制することができるという副次的効果も得ることができる。

本発明条件に基づき、小型試験高炉（内容積１０ｍ^３）で高炉操業を行った際のコークス使用量を２次元高炉シミュレーションモデルに解析した結果を表１に示す。諸元に示されるｔは、「溶銑トンあたり」を示す。
本発明条件では、高炉羽口部から酸素富化した空気を１２００℃に加熱して吹込み、さらに微粉炭とコークス炉ガスを補助還元材として吹き込むものとした。この際、炉頂部から排出される高炉ガスの一部を、ＣＯ_２を除去した後、８００℃に加熱して高炉シャフト下部に設けられたガス吹込み部Ａから炉内に吹き込むものとした。さらに、高炉ガスの一部を高炉シャフト上部に設けられたガス吹込み部Ｂに供給し、これを燃焼させて予熱ガスを生成し、８００℃の予熱ガスとして炉内に吹き込むものとした。この際、ガス吹き込み部Ｂ（予熱ガス吹込口）はガス吹き込み部Ａ（循環高炉ガス吹込口）の真上となるように設定した。一方、ガス吹き込み部Ｂから予熱ガスを吹き込まない条件を比較条件とした。

表１によれば、本発明条件では、循環高炉ガス（還元ガス）が炉中心部側に浸透して流れるため還元効率が向上し、比較条件と比べて還元剤であるコークスを削減することが可能である。このようなコークス使用量の削減は、ＣＯ_２生成量を削減できることを意味し、本発明が高炉のＣＯ_２発生量を削減する上で高い有用性を有することが確認できる。

Ａガス吹き込み部
Ｂガス吹き込み部
Ｃ高炉羽口部
１ガス流路
２ＣＯ_２分離除去装置
３ガス加熱装置
４燃焼バーナー
５ガス流路
６ガス流路
７熱風炉
１０高炉シャフト部
ｇ_１予熱ガス流れ
ｇ_２循環高炉ガス流れ

Claims

高炉炉頂部から排出された高炉ガスの少なくとも一部を、ＣＯ_２を分離除去する工程及び加熱して昇温させる工程を経て、高炉シャフト部に設けられたガス吹き込み部（A）から還元ガスとして炉内に吹込むことにより高炉に対して循環させる高炉操業方法であって、
高炉シャフト部において、ガス吹き込み部（A）よりも上方位置に設けられたガス吹き込み部（B）から予熱ガス（x）を炉内に吹き込み、
炉周方向位置において、ガス吹き込み部（B）がガス吹き込み部（A）の真上に位置することを特徴とする高炉操業方法。
ガス吹き込み部（B）では、燃料ガスを燃焼させ、その燃焼ガスを予熱ガス（x）として炉内に吹き込むことを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
燃料ガスが高炉ガスであることを特徴とする請求項２に記載の高炉操業方法。
ガス吹き込み部（B）に、燃焼ガスの温度を調整する希釈ガスとして高炉ガスを供給することを特徴とする請求項２又は３に記載の高炉操業方法。
高炉シャフト部に設けられたガス吹き込み部（A）と、高炉炉頂部から排出された高炉ガスの少なくとも一部をガス吹き込み部（A）に供給するガス流路（1）と、該ガス流路（1）の途中に上流側から順に設けられるＣＯ_２分離除去装置（2）及びガス加熱装置（3）を備え、高炉炉頂部から排出された高炉ガスの少なくとも一部を、ＣＯ_２分離除去装置（2）でＣＯ_２を分離除去する工程及びガス加熱装置（3）で加熱して昇温させる工程を経て、ガス吹き込み部（A）から還元ガスとして炉内に吹込むことで高炉に対して循環させるようにした高炉設備であって、
高炉シャフト部において、ガス吹き込み部（A）よりも上方位置に、予熱ガス（x）を炉内に吹き込むためのガス吹き込み部（B）が設けられ、
炉周方向位置において、ガス吹き込み部（B）がガス吹き込み部（A）の真上に位置することを特徴とする高炉設備。
ガス吹き込み部（B）が、燃料ガスを燃焼させ、その燃焼ガスを予熱ガス（x）として炉内に吹き込む燃焼バーナー（4）で構成されることを特徴とする請求項５に記載の高炉設備。
高炉炉頂部から排出された高炉ガスの一部を、燃料ガスとして燃焼バーナー（4）に供給するガス流路（5）を有することを特徴とする請求項６に記載の高炉設備。
ガス流路（5）から分岐し、ガス流路（5）を流れる高炉ガスの一部を燃焼ガスの希釈ガスとして燃焼バーナー（4）に供給するガス流路（6）を有することを特徴とする請求項７に記載の高炉設備。