JP6551471B2 - 高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸素を吸着させた固体還元材を高炉羽口から吹込み、還元材比を低減させる高炉操業方法に関する。

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。これを受け、最近の高炉操業では、低還元材比（低ＲＡＲ：Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ａｇｅｎｔ Ｒａｔｉｏの略で、銑鉄１ｔ製造当りの、羽口からの吹込み還元材と炉頂から装入されるコークスの合計量）操業が強力に推進されている。高炉は、主にコークスおよび羽口から吹込む微粉炭を還元材として使用しており、低還元材比、ひいては、炭酸ガス排出抑制を達成するために微粉炭の燃焼性を改善させて、コークスの使用量を低減する方策が有効である。

特許文献１には、５０〜１５０℃の温度範囲のＯ_２含有雰囲気に吹込み炭を曝し、Ｏ_２を吹込み炭に化学吸着させて未燃炭素量を減少させる技術が開示されている。また、特許文献２には、平均揮発分が２５ｍａｓｓ％以下の微粉炭と同時に吹込まれる気体中の酸素濃度を微粉炭吹込みランス先端部近傍周辺で７０ｖｏｌ％以上、または、微粉炭搬送ガス中の酸素濃度を７０ｖｏｌ％以上として低揮発分微粉炭の燃焼性を向上させる技術が開示されている。

また、特許文献３には、羽口から還元材を吹込むランスを２重管とし、２重管ランスの内管から都市ガスまたは微粉炭を吹込み、２重管ランスの外側から微粉炭または都市ガスを吹込んで微粉炭の燃焼性を改善させる技術が開示されている。

特許第５８４３９６８号公報 特開２００３−２８６５１１号公報 特開２０１３−１９００７号公報

特許文献１に開示された発明炭は、Ｏ原子含有割合が高く、かつＯ_２が化学吸着しているため、燃焼温度が高くなることが記載されている。しかし、従来炭と比較してＯ含有割合が高いことからＣの含有割合が低く、燃焼により発生するＣＯガス発生量も低下する。高炉において鉄鉱石から銑鉄への還元はＣＯガスによるガス還元が主である。吹込み炭からのＣＯガス発生量が低下した場合、それを補うために必要なコークス原単位を増加させることが必要になり、結果的に還元材原単位が増加する可能性がある。また、Ｏ原子含有割合が高いために通常の高炉に吹込む微粉炭よりも発熱量が小さく高炉内の炉熱が低下しコークス比および還元材比も低下しない可能性がある。

また、特許文献２に開示された技術は、微粉炭と同時に吹込まれるガス中の酸素濃度を一定以上にするように記載しているが、微粉炭の燃焼においては微粉炭周囲に酸素が近接して存在することが重要である。特に、微粉炭がランスから吐出される場合は微粉炭粒子群として吹込まれるため、粒子群内部では酸素濃度が低下する。したがって、ガス中の酸素濃度を上げても、微粉炭の粒子群内部の酸素濃度を向上できないので、粒子群の外側に存在する一部の微粉炭の燃焼性は改善できるとしても、微粉炭全体の燃焼性を改善することはできない。

また、特許文献３に開示された技術は、微粉炭のみを羽口から吹込む方法に比べれば微粉炭の燃焼温度の向上や還元材原単位の低減に効果がある。しかしながら、内管または外管から独立して都市ガスと微粉炭とを吹込んでいることから都市ガスの燃焼により微粉炭周囲の酸素が欠乏してしまい、微粉炭の燃焼反応が遅延するおそれがある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、所定量の酸素を固体還元材に吸着させ、２重管のランスの内管および外管の一方から当該固体還元材を高炉内へ吹込み、固体還元材を吹込んでいない２重管ランスの内管または外管から易燃性還元材を高炉内へ吹込むことで固体還元材全体の燃焼性を改善させ、これにより、高炉の還元材比を低減させることにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は、以下の通りである。
（１）高炉羽口から固体還元材を吹込む高炉操業方法であって、２重管ランスの内管および外管の一方から、酸素を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ以上吸着させた固体還元材を前記高炉羽口から高炉内へ吹込み、前記固体還元材を吹込んでいない前記２重管ランスの内管または外管から易燃性還元材を前記高炉羽口から前記高炉内へ吹込むことを特徴とする高炉操業方法。
（２）高炉羽口から固体還元材を吹込む高炉操業方法であって、２重管ランスの内管および外管の一方から、比表面積が２．０ｍ^２／ｇ以上であり、ドライベースの酸素原子含有割合が１０．０質量％未満の固体還元材を前記高炉羽口から高炉内へ吹込み、前記固体還元材を吹込んでいない前記２重管ランスの内管または外管から易燃性還元材を前記高炉羽口から前記高炉内へ吹込むことを特徴とする高炉操業方法。
（３）高炉羽口から固体還元材を吹込む高炉操業方法であって、２重管ランスの内管および外管の一方から、比表面積が２．０ｍ^２／ｇ以上であり、ドライベースの酸素原子含有割合が１０．０質量％未満であり、酸素を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ以上吸着させた固体還元材を前記高炉羽口から高炉内へ吹込み、前記固体還元材を吹込んでいない前記２重管ランスの内管または外管から易燃性還元材を前記高炉羽口から前記高炉内へ吹込むことを特徴とする高炉操業方法。
（４）高炉羽口から固体還元材を吹込む高炉操業方法であって、２重管ランスの内管および外管の一方から、酸素の吸着量が０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ未満の固体還元材に、酸素を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ以上吸着させた固体還元材を、全固体還元材量に対して５０質量％以上となるように配合して前記高炉羽口から高炉内へ吹込み、
前記固体還元材を吹込んでいない前記２重管ランスの内管または外管から易燃性還元材を前記高炉羽口から前記高炉内へ吹込むことを特徴とする高炉操業方法。
（５）高炉羽口から固体還元材を吹込む高炉操業方法であって、２重管ランスの内管および外管の一方から、酸素の吸着量が０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ未満の固体還元材に、比表面積が２．０ｍ^２／ｇ以上であり、ドライベースの酸素原子含有割合が１０．０質量％未満であり、酸素を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ以上吸着させた固体還元材を、全固体還元材量に対して１０質量％以上となるように配合して前記高炉羽口から高炉内に吹込み、前記固体還元材を吹込んでいない前記２重管ランスの内管または外管から易燃性還元材を前記高炉羽口から前記高炉内へ吹込むことを特徴とする高炉操業方法。
（６）前記固体還元材は、微粉炭であることを特徴とする（１）から（５）の何れか１つに記載の高炉操業方法。
（７）前記微粉炭に、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、および、廃材の少なくとも１つを混合することを特徴とする（６）に記載の高炉操業方法。

本発明の高炉操業方法を実施することで、高炉羽口から吹込む固体還元材の全体の燃焼性を改善させることができる。全体の燃焼性が改善された固体還元材は、部分的に燃焼性が改善された固体還元材と比較して、より少ない固体還元材量で高炉の炉内温度を高めることができるので、本発明の高炉操業方法を実施することで高炉の還元材比の低減が実現できる。

燃焼実験装置１０の部分断面模式図である。

本発明は、高炉の羽口から固体還元材を吹込んで高炉の炉内温度をより高める手法として、固体還元材に酸素を吸着させることに着目してなされたものである。すなわち、固体還元材に酸素を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ以上吸着させ、２重管ランスの内管および外管の一方から当該固体還元材を吹込み、固体還元材を吹込んでいない２重管ランスの内管または外管から易燃性還元材を吹込むことで、固体還元材全体の燃焼性を改善させることができる。このように、燃焼性が改善された固体還元材と易燃性還元材とを２重管ランスを用いて高炉羽口から吹込むことで、高炉の炉内温度をより高めることができ、これにより、高炉の還元材比を低減できることを見出して本発明を完成させた。

まず、本発明をするに到った微粉炭の燃焼試験について説明する。酸素の吸着量、比表面積およびドライベースの酸素含有割合を変えた５種の微粉炭を準備し、燃焼試験を実施した。５種の微粉炭のうち、調整微粉炭１〜４は、含有水分６０質量％、ドライベースの揮発分５０質量％の低品位炭を準備し、５００〜１０００℃の範囲内の温度で所定時間加熱処理して、含有水分を１質量％以下とした。なお、ドライベースとは、微粉炭に含まれる含有水分量を除いた質量を意味する。この加熱処理済みの低品位炭を、例えば、粒径７４μｍ以下の微粉の割合が８０質量％以上になるように粉砕して、比表面積を変えた調整微粉炭１〜４の微粉炭を製造した。

比表面積は、Ｎ_２ガス吸着によるＢＥＴ法で測定した。ＢＥＴ法は、粉末試料に吸着する気体量を吸着気体の圧力の関数として測定する方法である。粉末試料に気体を物理吸着させたとき、吸着した気体量Ｖａと吸着平衡にある吸着気体の圧力Ｐとの間には、Ｐ／Ｐ_０の値が０．０５〜０．３０の範囲内で（１）式の関係がある。

但し、（１）式において、Ｐは吸着平衡圧（ｋＰａ）であり、Ｐ_０は、測定温度における吸着気体の蒸気圧（ｋＰａ）であり、Ｖａは吸着平衡時の吸着量（ｍＬ）であり、Ｖ_ｍは単分子層吸着量（ｍＬ）であり、Ｃは吸着熱、凝縮熱などの定数である。

吸着平衡時の吸着量Ｖａは、流動法または容量法を用いて測定できる。流動法は、吸着気体と吸着気体を搬送するキャリア気体の混合気体を試料に接触通過させ、通過前後の吸着気体の濃度変化から吸着量を算出する方法である。容量法は、容積が既知の容器に粉末試料を入れ、試料表面における気体の吸着に伴う圧力変化から吸着量を算出する方法である。粉末試料の比表面積は、（１）式の単分子層吸着量Ｖ_ｍと（２）式とを用いて算出できる。

但し、（２）式において、Ｓは比表面積（ｍ^２／ｇ）であり、Ｎはアボガドロ数であり、ａは吸着気体分子１個の有効断面積（ｍ^２）であり、ｍは粉末試料の質量（ｇ）である。

この微粉炭に１００ｋＰａ以上の圧力で酸素を吸着させた。酸素の吸着量は、酸素吸着前後の微粉炭の質量差から求めた。また、酸素原子含有割合は、微粉炭を元素分析（ドライベース）して求めた。なお、本燃焼試験で用いた微粉炭は固体還元材の一例である。

微粉炭Ａは、加熱処理せずに、粒径７４μｍ以下の微粉の割合が８０質量％以上になるように粉砕されて製造された微粉炭である。表１に燃焼試験に用いた微粉炭Ａおよび調整微粉炭１〜４の酸素吸着量、比表面積およびドライベースの酸素原子含有割合を示す。

表１に示すように、調整微粉炭１は、酸素の吸着量を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ未満、比表面積を２．０ｍ^２／ｇ未満、ドライベースの酸素原子含有割合を１０.０質量％以上に調整された微粉炭である。調整微粉炭２は、酸素の吸着量を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ以上、比表面積を２．０ｍ^２／ｇ未満、ドライベースの酸素原子含有割合を１０.０質量％以上に調整された微粉炭である。調整微粉炭３は、酸素の吸着量を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ未満、比表面積を２．０ｍ^２／ｇ以上、ドライベースの酸素の吸着量を１０.０質量％未満に調整された微粉炭である。調整微粉炭４は、酸素の吸着量を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ以上、比表面積を２．０ｍ^２／ｇ以上、ドライベースの酸素の吸着量を１０.０質量％未満に調整された微粉炭である。

燃焼試験は、高炉の羽口付近を模した装置であって、ランスを介して羽口から吹込まれた微粉炭が燃焼した位置を視認できるように構成された燃焼実験装置を用いて実施した。燃焼試験は、２重管ランスを用いて、２重管ランスの内管から微粉炭Ａまたは調整微粉炭１〜４を２９．８ｋｇ／ｈ（銑鉄１ｔ当り１００ｋｇ）で吹込み、２重管ランスの外管から易燃性還元材としてメタンを流量０．４Ｎｍ^３／ｈ（銑鉄１ｔ当り１ｋｇに相当）で吹込んで実施した。なお、本燃焼試験におけるメタンは易燃性還元材の一例である。

微粉炭の送風条件は、送風温度を１２００℃、流量を３００Ｎｍ^３／ｈ、流速を７０ｍ／ｓ、Ｏ_２富化量を５．５体積％（空気中酸素濃度２１．０体積％に対して酸素濃度２６．５体積％にした）とした。また、微粉炭の搬送ガスにはＮ_２を用いた。この試験条件で、微粉炭Ａと、調整微粉炭１〜４の着火性および燃焼温度を評価した。その結果を表２に示す。

また、２重管ランス内管から流量０．４Ｎｍ^３／ｈのメタンを吹込み、２重管ランスの外管から微粉炭を吹込んだ場合の燃焼性も同様に評価した。結果を表３に示す。

着火性は、着火距離と着火時間で評価した。着火距離とは、ランスから吹込まれた微粉炭が着火するまでのランス先端からの距離である。この距離が短い微粉炭を着火性に優れる微粉炭と判定し、この距離が長い微粉炭を着火性に劣る微粉炭と判定した。

図１は、燃焼実験装置１０の部分断面模式図である。図１は、燃焼実験装置１０における２重管ランス１６が設けられた部分を示している。図１に示すように、燃焼実験装置１０の炉壁１２から燃焼実験装置１０の内側に羽口１８が挿入されている。表２に示した燃焼試験において、微粉炭は、２重管ランス１６の内管から搬送ガスであるＮ_２とともに送風管（ブローパイプ）１４内に吹込まれ、メタンは、２重管ランス１６の外管から送風管１４内に吹込まれる。

送風管１４内に吹込まれた微粉炭は、メタンとともに羽口１８から燃焼実験装置１０内の高温領域に吹込まれて着火する。図１において、着火位置２０は、ランス１６から燃焼実験装置１０内に吹込まれた微粉炭が着火した位置を示す。図１における距離ａは、羽口１８の先端から着火位置２０までの距離であって、表２、表３における着火距離である。距離ａは、ランスから吹込まれる微粉炭流を燃焼実験装置１０に設けられた覗き窓から高速度カメラにより撮影して測定した。

同様に、着火時間とは、羽口１８の先端から燃焼実験装置１０内に吹込まれた微粉炭が、燃焼実験装置１０内で着火するまでの時間である。この時間が短い微粉炭を着火性に優れる微粉炭であると判定し、この時間が長い微粉炭を着火性に劣る微粉炭であると判定した。なお、表２、表３の着火性における「判定」の行に示した「△」は、着火性が微粉炭Ａと同程度であることを意味し、「○」は、着火性が微粉炭Ａよりも優れることを意味し、「◎」は、着火性が微粉炭Ａより大きく優れることを意味する。

また、燃焼温度とは、微粉炭が燃焼した際の温度である。この温度が高い微粉炭を燃焼温度が高い微粉炭であると判定し、この温度が低い微粉炭を燃焼温度が低い微粉炭であると判定した。なお、表２、表３の燃焼温度における「判定」の行に示した「△」は、燃焼温度が１５０５℃未満であることを意味し、「○」は、燃焼温度が１５０５℃以上１５４０℃未満であることを意味し、「◎」は、燃焼温度が１５４０℃以上であることを意味する。なお、微粉炭の燃焼温度は、２色温度計を用いて測定を行なった。

表２に示すように、微粉炭を２重管の内管から吹込み、メタンを２重管の外管から吹込んだ場合、調整微粉炭１は、微粉炭Ａよりも着火距離が短かったが、その差は僅かであり、また、着火時間が同じであった。このため、調整微粉炭１の着火性は、微粉炭Ａと同程度であると判定した。また、調整微粉炭２および調整微粉炭３は、微粉炭Ａと着火時間が同じであったが、着火距離は微粉炭Ａより短くなった。このため、調整微粉炭２および調整微粉炭３の着火性は、微粉炭Ａよりも優れると判定した。また、調整微粉炭４は、微粉炭Ａよりも着火距離が著しく短くなり、着火時間も著しく早くなった。このため、調整微粉炭４の着火性は、微粉炭Ａよりも大きく優れると判定した。

また、燃焼温度について、調整微粉炭１の燃焼温度は、微粉炭Ａと同じであり、その温度が１５０５℃未満であったので「△」と判定した。また、調整微粉炭２および調整微粉炭３の燃焼温度は、微粉炭Ａよりも高くなり、その温度が１５０５℃以上１５４０℃未満の範囲内であったので「○」と判定した。また、調整微粉炭４の燃焼温度は、微粉炭Ａよりも著しく高くなり、その温度が１５４０℃以上であったので「◎」と判定した。

一方、微粉炭を２重管の外側から吹込み、酸素を２重管の内管から吹込んだ場合、表３に示すように、調整微粉炭１は、微粉炭Ａよりも着火距離が短かったが、その差は僅かであり、また、着火時間が同じであった。このため、調整微粉炭１の着火性は、微粉炭Ａと同程度であると判定した。また、調整微粉炭２および調整微粉炭３は、微粉炭Ａと着火時間が同じであったが、着火距離が微粉炭Ａより短かった。このため、調整微粉炭２および調整微粉炭３の着火性は、微粉炭Ａよりも優れると判定した。調整微粉炭４は、微粉炭Ａよりも着火距離が著しく短くなり、着火時間も著しく早くなった。このため、調整微粉炭４の着火性は、微粉炭Ａよりも大きく優れると判定した。

また、燃焼温度について、調整微粉炭１の燃焼温度は、微粉炭Ａと同じであり、その温度が１５０５℃未満であったので「△」と判定した。また、調整微粉炭２および調整微粉炭３の燃焼温度は、微粉炭Ａよりも高くなり、その温度が１５０５℃以上１５４０℃未満の範囲内であったので「○」と判定した。また、調整微粉炭４の燃焼温度は、微粉炭Ａよりも著しく高くなり、その温度が１５４０℃以上であったので「◎」と判定した。表２および表３に示したように、微粉炭を２重管の内管から吹込みメタンを外管から吹込んだ場合と、微粉炭を２重管の外管から吹込み、メタンを内管から吹込んだ場合とで着火性および燃焼温度に大きさ差は見られなかった。このため、以後の確認においては、２重管ランスの外管から微粉炭を吹込み、２重管ランスの内管からメタンを吹込む確認を省略した。

ここで、表１に示した微粉炭Ａおよび調整微粉炭１〜４の酸素吸着量および比表面積から表２および表３の結果を考察すると、着火性および燃焼温度は、微粉炭への酸素吸着量と微粉炭の比表面積に影響を受けると考えられる。すなわち、微粉炭粒子に吸着された酸素は、２重管ランスから吐出されたメタンの燃焼熱および送風由来の熱により速やかに離脱し、さらに、個々の微粉炭粒子に酸素が吸着しているので、微粉炭粒子群の内側に酸素を多量に存在させることができる。これにより、酸素を微粉炭粒子群全体に均一に接触させることができ、この結果、微粉炭の燃焼性が向上した。また、微粉炭の比表面積が増えると、微粉炭が時間当たりに外部から受ける熱量が増加するとともに微粉炭周囲の酸素との接触性が改善されるので、これにより着火性が向上し、燃焼温度が高められたと考えられる。

調整微粉炭１および調整微粉炭２の結果から、酸素を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ以上吸着させた微粉炭を２重管ランスの内管および外管の一方から吹込み、メタンを微粉炭を吹込んでいない２重管ランスの内管または外管から吹込むことで、微粉炭の着火性を向上させ、燃焼温度を高められることが確認された。また、調整微粉炭１および調整微粉炭３の結果から、比表面積を２．０ｍ^２／ｇ以上に調整された微粉炭を２重管ランスの内管および外管の一方から吹込み、メタンを微粉炭を吹込んでいない２重管ランスの内管または外管から吹込むことで、微粉炭の着火性を向上させ、燃焼温度を高められることが確認された。更に、調整微粉炭１および調整微粉炭４の結果から、酸素を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ以上吸着させ、比表面積を２．０ｍ^２／ｇ以上とし、ドライベースの酸素の吸着量を１０.０質量％未満とした微粉炭を２重管ランスの内管および外管の一方から吹込み、メタンを微粉炭を吹込んでいない２重管ランスの内管または外管から吹込むことで、微粉炭の着火性を大きく向上させ、燃焼温度を大きく高められることが確認された。なお、微粉炭の比表面積が大きい程微粉炭の燃焼性が向上するので、微粉炭の比表面積の上限は設けなくてよい。しかしながら、揮発分を多く含み空孔が多い比表面積の大きい石炭であっても、その比表面積は最大で１０ｍ^２／ｇ程度である。この石炭の比表面積を更に大きくするには乾留する等の予備処理が必要になり、当該予備処理を行うと石炭に含まれる揮発分が減少して石炭の着火性が低下する。このため、微粉炭の比表面積は、１０００ｍ^２／ｇ以下とすることが好ましい。

また、同じ条件で、単管ランスから、２９．８ｋｇ／ｈ（銑鉄１ｔ当り１００ｋｇに相当）の調整微粉炭４を吹込んだ場合の着火性および燃焼温度を評価した。表４にその結果を示す。なお、表４に示した２重管ランスの着火性および燃焼温度の値は、表２の調整微粉炭４の値を用いている。

表４に示すように、単管ランスで調整微粉炭４を吹込んだ場合と比較して、２重管ランスの内管から微粉炭を吹込み、外管からメタンを吹込んだ場合の方が、着火性を向上させ、燃焼温度を高めることができた。

２重管ランスを用いて微粉炭とメタンとを吹込むことで、微粉炭近傍にメタンを吹込むことができる。これにより、微粉炭から離脱した酸素とメタンとが速やかに反応し、メタン由来の燃焼熱が近接している微粉炭に速やかに伝熱できるようになり、この結果、微粉炭の着火性が向上し、燃焼温度が高くなった。

このように、酸素を吸着させることで燃焼性が改善された微粉炭と、メタンとを２重管ランスを用いて高炉に吹込むことで、燃焼性が改善されていない微粉炭を吹込んだ場合と比較して高炉の炉内温度を高めることができる。これにより、高炉の炉熱を確保でき、高炉操業における還元材比の低減が実現できる。

また、低品位炭の加熱処理条件の変更により微粉炭の酸素原子含有割合（ドライベース）を変更した微粉炭に調整微粉炭４と同量の酸素を吸着させた調整微粉炭５、６を作製した。調整微粉炭４〜６の性状を表５に示す。なお、表５に示した調整微粉炭４は、表１に示した調整微粉炭４と同じである。

表５に示すように、ドライベースの酸素原子含有割合を高めると、発熱に寄与する微粉炭中のＣ原子含有割合が低くなり、Ｃ原子含有割合に主に依存する低位発熱量が低下する。

微粉炭の低位発熱量は、ＪＩＳ Ｍ ８８１４に準拠して高位発熱量Ｈ_ｈ（ＭＪ／ｋｇ）を測定し、測定された高位発熱量Ｈ_ｈと（３）式とを用いて算出した。

但し、（３）式において、Ｈ_ｌは低位発熱量（ＭＪ／ｋｇ）であり、Ｈは燃焼前の試料中の水素含有量（質量％）であり、ｗは燃焼前の試料中の水分含有量（質量％）であり、ｒは水蒸気の凝縮潜熱（ＭＪ／ｋｇ）である。この調整微粉炭５、６についても、燃焼実験装置１０を用いて２重管ランスの内管から当該微粉炭を吹込み、２重管ランスの外管からメタンを吹込んで燃焼試験を行なった。この結果を表６に示す。

表６に示すように、ドライベースの酸素原子含有割合が１０.０質量％以上である調整微粉炭６は、ドライベースの酸素原子含有割合が１０．０質量％未満である調整微粉炭４、５と比較して着火性は向上したが燃焼温度は低下した。調整微粉炭６は、表５に示したように、ドライベースの酸素原子含有割合が１０．０質量％未満である調整微粉炭４、５よりも低位発熱量が低い。このため、調整微粉炭６は、調整微粉炭４、５よりも着火性は向上したものの燃焼温度が低下した。このことから、着火性を向上させ、燃焼温度を高めるには、微粉炭のドライベースの酸素原子含有割合を１０．０質量％未満とすることが好ましいことがわかる。

また、着火性が向上され、燃焼温度が高められた微粉炭に、着火性が改善されておらず、燃焼温度が高められていない微粉炭を配合した配合微粉炭を高炉の羽口から吹込んでもよい。この場合に、着火性が改善され、燃焼温度が高められた微粉炭を、全微粉炭量に対して少なくとも５０質量％以上となるように配合することが好ましい。なお、着火性が改善され、燃焼温度が高められた微粉炭を多く配合すれば着火性および燃焼温度が改善された微粉炭を多く含むことになり、より高炉の炉内温度を高められることになる。このため、着火性および燃焼温度が改善された微粉炭の配合率については、下限値を定めれば上限値は定めなくても高炉の還元材比の低減は実現できる。なお、着火性が改善されておらず、燃焼温度が高められていない微粉炭とは、例えば、酸素の吸着量を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ未満とした微粉炭である。

３８本の羽口を備えた高炉を使用し、微粉炭Ａまたは調整微粉炭１〜４を吹込んで高炉の操業を実施した実施例について説明する。内容積５０００ｍ^３の高炉であって、目標１１５００ｔ／ｄａｙの銑鉄生産量、１５０ｋｇ／ｔ−銑鉄の微粉炭比、送風温度１２００℃、Ｏ_２富化＋５．５体積％の条件下で、２重管ランスの内管から微粉炭Ａまたは調整微粉炭１〜６を、２重管ランスの外管からメタンを吹込みながら高炉の操業をそれぞれ３日間実施した。微粉炭Ａおよび調整微粉炭１〜６の３日間の平均コークス比（ｋｇ／ｔ−銑鉄）を算出した。この結果を表７に示す。

表７において、調整微粉炭２〜６は発明例であり、微粉炭Ａおよび調整微粉炭１は比較例である。表７に示すように、調整微粉炭１は、微粉炭Ａと比較してコークス比に変化はなく、還元材比であるコークス比を低減できなかった。調整微粉炭１の着火性および燃焼温度は、微粉炭Ａと同程度であるので、このような微粉炭を用いても微粉炭の燃焼性を改善させることができず、このため、コークス比が低減しなかったと考えられる。

一方、調整微粉炭２、３、６は、微粉炭Ａと比較して還元材比であるコークス比が低減した。調整微粉炭２は、微粉炭Ａよりも着火性が向上され、燃焼温度も高い。このような調整微粉炭２を用いることで、微粉炭Ａを用いた場合よりも高炉の炉内温度を高めることができ、これにより、コークス比が低減した。

また、調整微粉炭４、５は、微粉炭Ａと比較して還元材比であるコークス比が大きく低減した。調整微粉炭４、５は、微粉炭Ａよりも着火性が大きく向上し、燃焼温度も著しく高い。このような調整微粉炭４、５を用いることで、微粉炭Ａを用いた場合よりも高炉の炉内温度を著しく高めることができ、これにより、コークス比が大きく低減した。

このように、酸素を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ以上吸着させた調整微粉炭２を２重管ランスの内管から吹込み、外管からメタンを吹込むことで高炉の還元材比であるコークス比を低減できることが確認された。同様に、比表面積を２．０ｍ^２／ｇ以上とした調整微粉炭３または酸素を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ以上吸着させ、比表面積を２．０ｍ^２／ｇ以上とした調整微粉炭６を２重管ランスの内管から吹込み、外管からメタンを吹込むことでも高炉の還元材比であるコークス比を低減できることが確認された。

また、酸素を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ以上吸着させ、比表面積を２．０ｍ^２／ｇ以上とし、ドライベースの酸素原子含有割合を１０．０質量％未満とした調整微粉炭４、５を２重管ランスの内管から吹込み、メタンを外管から吹込むことで高炉の還元材比であるコークス比を大きく低減できることが確認された。このように高炉の還元材比を低減することで、高炉操業における還元材使用量を低減できる。

次に、微粉炭Ａに調整微粉炭２および調整微粉炭４を、全微粉炭量に対して所定比率（５、１０、２０、５０質量％）となるように配合した配合炭を作製し、上記と同じ高炉および同じ操業条件下で、当該配合炭およびメタンを２重管ランスから高炉に吹込む操業をそれぞれ３日間実施し、平均コークス比（ｋｇ／ｔ−銑鉄）を算出した。表６に調整微粉炭２の配合比率と算出した平均コークス比を示す。また、表９に調整微粉炭４の配合比率と算出した平均コークス比を示す。

表８に示すように、調整微粉炭２においては、配合比率が５０質量％以上になるように調整微粉炭２を配合することで、コークス比の低減が可能となった。また、表９に示すように、調整微粉炭４においては、配合比率が１０質量％以上になるように調整微粉炭４を配合することでコークス比の低減が可能となった。

着火性が向上され、燃焼温度が高められた調整微粉炭２および調整微粉炭４は、微粉炭Ａと比較して早く着火する。この着火による燃焼熱は微粉炭Ａに伝熱されるので、これにより、微粉炭Ａに調整微粉炭２または調整微粉炭４が配合された微粉炭全体の着火性が改善され、燃焼温度を高めることができたと考えられる。そして、このような微粉炭をランスを介して高炉羽口から吹込むことで、コークス比の低減が実現できたと考えられる。

この結果から、酸素を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ以上吸着させた調整微粉炭２を、微粉炭Ａに５０質量％以上配合することで、還元材比であるコークス比の低減が可能となることが確認された。さらに、酸素を０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ以上吸着させ、比表面積を２．０ｍ^２／ｇ以上とし、ドライベースの酸素原子含有割合を１０．０質量％未満とした調整微粉炭４を、微粉炭Ａに１０質量％以上配合することで、還元材比であるコークス比の低減が可能となることが確認された。このように、着火性が向上されてなく、燃焼温度が高められていない微粉炭Ａも、着火性が向上され燃焼温度が高められた調整微粉炭２または調整微粉炭４を配合することでコークス比の低減が可能となり、微粉炭Ａも有効に利用することができた。

ここで、微粉炭Ａは、酸素の吸着量が０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ未満であり、比表面積が２．０ｍ^２／ｇ未満であり、ドライベースの酸素原子含有割合が１０．０質量％以上の微粉炭である。このため、表８および表９に示した例において、調整微粉炭２および調整微粉炭４を配合する微粉炭としては、少なくとも酸素の吸着量が０．０２２ｋｇ／ｋｇ−ｃｏａｌ未満の微粉炭であればよい。このような微粉炭であれば、調整微粉炭２または調整微粉炭４を上述したそれぞれの配合率で配合することで、還元材比であるコークス比の低減が可能となることが確認された。

なお、燃焼試験および本実施例において、固体還元材として微粉炭を用いた例を示したが、これに限られない。固体還元材としては、微粉炭、プラスチック、廃タイヤ、ＲＤＦ等の固形燃料、生物に由来する資源である有機性資源、廃木材等の廃材の少なくとも１種であってよい。

また、燃焼試験および本実施例において、２重管ランスから吹込む易燃性還元材としてメタンを用いた例を示したが、これに限られない。易燃性還元材としては、メタン（天然ガス）、都市ガス、プロパンガス、水素、転炉ガス、高炉ガスおよびコークス炉ガスの少なくとも１種であってよい。

１０ 燃焼実験装置
１２ 炉壁
１４ 送風管
１６ ２重管ランス
１８ 羽口
２０ 着火位置

Claims (6)

1. 高炉羽口から固体還元材を吹込む高炉操業方法であって、
   ２重管ランスの内管および外管の一方から、１００ｋＰａ以上の圧力で酸素を物理吸着させ、酸素吸着前後の固体還元材の質量差から求めた吸着量が０．０２２ｋｇ／ｋｇ−固体還元材以上の固体還元材を前記高炉羽口から高炉内へ吹込み、
   前記固体還元材を吹込んでいない前記２重管ランスの内管または外管から易燃性還元材を前記高炉羽口から前記高炉内へ吹込むことを特徴とする高炉操業方法。
2. 高炉羽口から固体還元材を吹込む高炉操業方法であって、
   ２重管ランスの内管および外管の一方から、比表面積が２．０ｍ^２／ｇ以上であり、ドライベースの酸素原子含有割合が１０．０質量％未満であり、１００ｋＰａ以上の圧力で酸素を物理吸着させ、酸素吸着前後の固体還元材の質量差から求めた吸着量が０．０２２ｋｇ／ｋｇ−固体還元材以上の固体還元材を前記高炉羽口から高炉内へ吹込み、
   前記固体還元材を吹込んでいない前記２重管ランスの内管または外管から易燃性還元材を前記高炉羽口から前記高炉内へ吹込むことを特徴とする高炉操業方法。
3. 高炉羽口から固体還元材を吹込む高炉操業方法であって、
   ２重管ランスの内管および外管の一方から、１００ｋＰａ以上の圧力で酸素を物理吸着させ、酸素吸着前後の固体還元材の質量差から求めた吸着量が０．０２２ｋｇ／ｋｇ−固体還元材以上の固体還元材を、全固体還元材量に対して５０質量％以上となるように配合して得た固体還元材を前記高炉羽口から高炉内へ吹込み、
   前記固体還元材を吹込んでいない前記２重管ランスの内管または外管から易燃性還元材を前記高炉羽口から前記高炉内へ吹込むことを特徴とする高炉操業方法。
4. 高炉羽口から固体還元材を吹込む高炉操業方法であって、
   ２重管ランスの内管および外管の一方から、比表面積が２．０ｍ^２／ｇ以上であり、ドライベースの酸素原子含有割合が１０．０質量％未満であり、１００ｋＰａ以上の圧力で酸素を物理吸着させ、酸素吸着前後の固体還元材の質量差から求めた吸着量が０．０２２ｋｇ／ｋｇ−固体還元材以上の固体還元材を、全固体還元材量に対して１０質量％以上となるように配合して得た固体還元材を前記高炉羽口から高炉内に吹込み、
   前記固体還元材を吹込んでいない前記２重管ランスの内管または外管から易燃性還元材を前記高炉羽口から前記高炉内へ吹込むことを特徴とする高炉操業方法。
5. 前記固体還元材は、微粉炭であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の高炉操業方法。
6. 前記微粉炭に、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、および、廃材の少なくとも１つを混合することを特徴とする請求項５に記載の高炉操業方法。