JP7103155B2

JP7103155B2 - 高炉操業方法

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Publication number: JP7103155B2
Application number: JP2018198466A
Authority: JP
Inventors: 薫中野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2038-10-22
Also published as: JP2020066753A

Description

本発明は、羽口から水素系還元材を吹き込む高炉操業方法に関するものである。

一般に、高炉、転炉、圧延設備及びこれらにエネルギーを供給するエネルギー供給設備を備えた鉄鋼一貫製鉄所においては、主要なエネルギー源として石炭が用いられており、石炭の大部分は製銑工程(高炉、コークス炉、焼結機)で消費されるとともに、製銑工程で発生した副生ガスは製鉄所内の諸設備におけるエネルギー源として有効利用されている。

近年、地球の環境問題を背景として、製鉄所においても、省エネ、省資源、炭酸ガス(CO₂)発生量の抑制等に対する要求が高まっている。製鉄所全体から発生するCO₂のうち、製銑工程から発生するCO₂発生量がその大部分を占めており、特に高炉から排出されるCO₂は最も多いため、高炉で使用する原料の被還元性向上、炉頂装入物分布の適正化等の還元効率向上施策による低還元材比操業が指向されている。

しかしながら、上記のような方法で高炉の還元効率を向上させると、高炉の炉頂から排出されるガス(つまり、高炉ガス)の発熱量が減少する。この為、製鉄所の諸設備に供給されるエネルギーの供給量が需要量を下回る場合には、外部からエネルギーを調達しなければならない。その結果、高炉で炭素消費量を低減しても、製鉄所全体としては、必ずしも炭素消費量の削減が十分でなかった。

ここで、特許文献1には、高炉の炉頂から排出されるガスの発熱量低下を防止するために、高炉に送風する空気中の酸素濃度を25～96%に濃度調整して、高炉ガス中の窒素濃度を低減し、更に、二酸化炭素分離装置を通して高炉ガス中の二酸化炭素を分離除去することにより、高炉ガスの単位体積当たりの発熱量を増加させる方法が開示されている。

しかしながら、還元効率向上を指向して特許文献1記載の方法を実施しても、高炉ガスの単位体積当たりの発熱量は増加するものの、溶銑1tを製造する際に発生する高炉ガスの総発熱量(以下、高炉ガス発熱量原単位と称する)は減少するため、上述のように製鉄所内の諸設備に供給されるエネルギーの供給量が需要量を下回る場合には、外部からエネルギーを調達しなければならない。

WO2009/116672

小野陽一;鉄と鋼 Vol. 79 (1993), p N618 小野陽一;鉄と鋼 Vol. 79 (1993), p N711(特に、第6.3節天然ガス吹き込みの影響)

本発明は、シャフト効率等の高炉の還元効率を評価する評価値が変動したときの操業アクションとして、炭素消費原単位の低減（増大の抑制）と、高炉ガス発熱量原単位の低下の抑制（増加）とを両立し得る、高炉の操業方法を実現することを目的とする。

本発明者は、上記の課題を解決するため、羽口から水素系還元材を吹き込む場合の、炭素消費原単位及び高炉ガス発熱量原単位の変化を検討した。その結果、高炉の還元効率を管理指標とし、還元効率の変化に応じて水素系還元材の吹込量を制御することで上記課題を解決できることを知見し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係る高炉操業方法は、羽口から水素系還元材を吹き込む高炉の操業方法において、高炉の還元効率を評価する評価値が変動した際に、前記羽口から吹き込まれる前記水素系還元材の吹込量を増大させるアクションを実行することを特徴とする。ここで、予め、前記水素系還元材の吹込量が増大するに従って高炉ガス発熱量原単位がリニアに増加する相関情報を前記評価値の値に対応づけて取得しておき、前記還元効率が向上する方向に前記評価値が変動した際に、前記相関情報を用いて前記水素系還元材の吹込量を決定し、前記アクションを実行することができる。何らかの原因で還元効率が向上し、高炉ガス発熱量原単位が低下した場合には、水素系還元材の吹込量を増大させるアクションを実行することにより、高炉ガス発熱量原単位の低下を抑制することができる。

好ましくは、前記アクションを実行した後の高炉ガス発熱量原単位が、前記アクションを実行する前の高炉ガス発熱量原単位以上となるように、前記水素系還元材の吹込量を決定することができる。

また、予め、前記水素系還元材の吹込量が増大するにしたがって炭素消費原単位がリニアに減少する相関情報を前記評価値の値に対応づけて取得しておき、前記還元効率が低下する方向に前記評価値が変動した際に、前記相関情報を用いて前記水素系還元材の吹込量を決定し、前記アクションを実行することができる。何らかの原因で還元効率が低下し、炭素消費原単位が増大した場合には、水素系還元材の吹込量を増大させるアクションを実行することにより、炭素消費原単位の増大を抑制することができる。好ましくは、前記アクションを実行した後の炭素消費原単位が、前記アクションを実行する前の炭素消費原単位以下となるように、前記水素系還元材の吹込量を決定することができる。

前記評価値には、シャフト効率又は炉頂ＣＯガス利用率を用いることができる。

本発明によれば、シャフト効率等の高炉の還元効率を評価する評価値が変動したときの操業アクションとして、炭素消費原単位の低減（増大の抑制）と、高炉ガス発熱量原単位の低下の抑制（増加）とを両立し得る、高炉の操業方法を提供することができる。

シャフト効率と炭素消費原単位との関係を示すグラフである。炭素消費原単位と高炉ガス発熱量原単位との関係を示すグラフである。炭素消費原単位と高炉ガスLHVとの関係を示すグラフである。シャフト効率に応じた水素ガス吹込量と高炉ガス発熱量原単位との関係を示すグラフである。シャフト効率に応じた水素ガス吹込量と炭素消費原単位との関係を示すグラフである。水素ガス吹込量を増大させたときの高炉ガス発熱量原単位の変化を説明するためのグラフである(シャフト効率増加の例)。水素ガス吹込量を増大させたときの炭素消費原単位の変化を説明するためのグラフである(シャフト効率増加の例)。水素ガス吹込量を増大させたときの炭素消費原単位の変化を説明するためのグラフである(シャフト効率低下の例)。水素ガス吹込量を増大させたときの高炉ガス発熱量原単位の変化を説明するためのグラフである(シャフト効率低下の例)。シャフト効率に応じたメタンガス吹込量と炭素消費原単位との関係を示すグラフである。シャフト効率に応じたメタンガス吹込量と高炉ガス発熱量原単位との関係を示すグラフである。シャフト効率に応じたCOGガス吹込量と炭素消費原単位との関係を示すグラフである。シャフト効率に応じたCOGガス吹込量と高炉ガス発熱量原単位との関係を示すグラフである。 ηCOに応じた水素ガス吹込量と高炉ガス発熱量原単位との関係を示すグラフである。 ηCOに応じた水素ガス吹込量と炭素消費原単位との関係を示すグラフである。 ηCOに応じたメタンガス吹込量と高炉ガス発熱量原単位との関係を示すグラフである。 ηCOに応じたメタンガス吹込量と炭素消費原単位との関係を示すグラフである。 ηCOに応じたCOGガス吹込量と高炉ガス発熱量原単位との関係を示すグラフである。 ηCOに応じたCOGガス吹込量と炭素消費原単位との関係を示すグラフである。シャフト効率に応じた混合ガス吹込量と高炉ガス発熱量原単位との関係を示すグラフである。シャフト効率に応じた混合ガス吹込量と炭素消費原単位との関係を示すグラフである。第1実施形態の変形例に相当する図6に対応するグラフである。

まず、図1～5を参照して、本発明を創出するに至った背景を説明する。図1は、表1の基準条件に基づき試算したシャフト効率と炭素消費原単位との関係を示しており、横軸がシャフト効率(%)、縦軸が炭素消費原単位(kg/THM)である。図2は、炭素消費原単位と高炉ガス発熱量原単位との関係を示しており、横軸が炭素消費原単位(kg/THM)、縦軸が高炉ガス熱量原単位(Mcal/THM)である。シャフト効率は、非特許文献1及び2に記載されたRistモデルに基づき試算した。

ここで、シャフト効率とは高炉の原料被還元性の制御、装入物分布の制御等により変化し得る高炉の還元効率を表す指標であり、高炉操業の解析で一般的に利用されるRistモデルに基づき定義することができる。

Ristモデルとは、総括物質収支と炉下部高温域の部分熱収支に加え、FeO酸化鉄の還元に関して化学平衡論を考慮したプロセス評価モデルのことである。Ristモデルに基づく操業線図では、横軸Xに還元ガスの酸化度(例えば、(O+H₂)/(C+H₂))、縦軸Yに酸化鉄の酸化度(例えばO/Fe)を取り、間接還元帯の任意の断面での酸素の物質収支を考慮することにより、直線の操業線図が得られる。理想操業における操業線と実操業における操業線とを比較し、これらのずれ量からシャフト効率を求めることができる。シャフト効率が100%であるとき、操業線はW点(平衡点)と称されるウスタイト還元(FeO→Fe)の組成を表す点を通る。COガスとH₂ガスが共存する場合、W点はウスタイトのCO還元とH₂還元の各平衡組成をCO系ガスとH₂系ガスの存在比率に応じて平均化した組成で決定される。Ristモデルの詳細については、例えば、非特許文献1等に記載されているから、上述の説明に留める。

図1を参照して、シャフト効率(%)が増加するにしたがって炭素消費原単位(kg/THM)はリニアに減少する。図2を参照して、炭素消費原単位(kg/THM)が増加するにしたがって高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)はリニアに増加する。つまり、シャフト効率(%)が増加すると炭素消費原単位(kg/THM)及び高炉ガス熱量原単位(Mcal/THM)が共にリニアに減少する。ここで、炭素消費原単位(kg/THM)とは、溶銑1tを製造するのに必要な炭素消費量(kg)のことである。また、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)は、溶銑1tを製造する際に発生する高炉ガスの総発熱量(Mcal)のことである。

ここで、図1及び図2の試算に当たっては、酸素富化率を6(vol%)から14(vol%)まで、2(vol%)ずつ変化させて5通りの酸素富化率で試算している。高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)は、炭素消費原単位(シャフト効率)が同じであれば酸素富化率によらずほぼ同じ線上を辿る。他方、高炉の炭素消費原単位(kg/THM)と高炉ガスの単位体積当たりの低位発熱量(以下、LHVと称する)との関係を示す図3から明らかなように、炭素消費原単位(kg/THM)を低減するとLHVは低下するものの酸素富化率を増加すれば、高炉ガスのLHVを増加させることが出来る。つまり、酸素富化率を上げると、高炉ガスに含まれる窒素の割合が減る(言い換えると、LHVを規定する分母の数値が小さくなる)ため、LHVが増加する。従って、高炉の炭素消費原単位(kg/THM)が低下(シャフト効率が増加)しても酸素富化率を増加すれば高炉ガスのLHVを増加させることができる。ただし、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)は酸素富化率に左右されないため、炭素消費原単位(kg/THM)が低下することにより、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)は減少してしまう。なお、高炉では、羽口から吹き込まれるガスの酸素濃度を空気及び純酸素の混合比率を変えることにより調整している。本明細書では、以下に定義する酸素富化率を用いて空気中への純酸素の混合比率を表す。酸素富化率は、空気と混合する純酸素を合わせた混合気体中の酸素濃度から21(vol%)を減じた濃度(vol%)として定義する。従って、例えば、空気と混合する純酸素を合わせた混合気体中の酸素濃度が31(vol%)なら、酸素富化率は、10(%)となる。

本発明者は、上述の課題を解決するために、水素系還元材の一例である水素を高炉の羽口から吹き込むことによる、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)及び炭素消費原単位(kg/THM)に与える影響について考察した。本明細書において水素系還元材とは、水素ガス若しくは、高炉の羽口に吹込んだ時、レースウェイ部で分解され、水素ガスを発生するものの内、微粉炭と水蒸気を除く還元材をいい、例えば、水素ガス、メタンガス、コークス炉ガス(COGガス)等である。水素系還元材は気体だけでなく、固体、液体をも含む。

図4はシャフト効率(%)に応じて異なる水素ガス吹込量と高炉ガス発熱量原単位との関係を示しており、横軸が水素ガス吹込量(Nm³/THM)であり、縦軸が高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)である。図5はシャフト効率(%)に応じて異なる水素ガス吹込量と炭素消費原単位との関係を示しており、横軸が水素ガス吹込量(Nm³/THM)であり、縦軸が炭素消費原単位(kg/THM)である。

図4及び図5のグラフは、基準の操業条件及び非特許文献2に記載されたRistモデルを利用して、求めることができる。図4に示すように、シャフト効率(%)が一定の場合、水素ガス吹込量(Nm³/THM)の増大により、炉頂ガスの水素濃度が増加するため、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)がリニアに増加する。図5に示すように、シャフト効率(%)が一定の場合、水素ガス吹込量(Nm³/THM)の増大により、水素還元率が増加して直接還元率が低下するため、炭素消費原単位(kg/THM)がリニアに減少する。

したがって、シャフト効率(%)を維持して水素ガス吹込量(Nm³/THM)を増大させると高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)を増加させることができる。また、シャフト効率(%)が増加すると、COガス、H₂ガスの還元ガスとしての利用率が増加するため、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)は減少する。

図4に示すシャフト効率に応じた各ラインは線形であるため、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)は水素ガス吹込量(Nm³/THM)及びシャフト効率(%)の関数として、以下の式(1)により規定することができる。
高炉ガス発熱量原単位= (a_g*ηs+b_g)*V + (c_g*ηs+d_g)・・・・・(式1)
ここで、ηs:シャフト効率(%)、V:水素ガス吹込量(Nm³/THM)であり、a_g,b_g, c_g及びd_gは水素系還元材の種類に応じて異なる定数であり、水素ガスの場合 a_g=-0.0154, b_g=2.16, c_g=-25.9, d_g=3657である。式(1)から、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)は、水素ガス吹込量が1(Nm³/THM)変化すると、 (a_g*ηs+b_g) (Mcal/THM)だけ変化することが判る。

また、シャフト効率が1(%)変化すると、高炉ガス発熱量原単位は(a_g*V +c_g) (Mcal/THM)だけ変化することもわかる。従って、基準となる操業に対して、シャフト効率がΔηs(%)だけ増加したときに、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)を維持するためには、水素ガス吹込量を以下の式(2)にしたがって、ΔV(Nm³/THM)だけ増加させる必要がある。
ΔV = -(a_g*V + c_g)*Δηs/(a_g*ηs + b_g) ・・・・・(式2)
ここで、Vは基準操業における水素ガス吹込量 (Nm³/THM)、ηsは基準操業におけるシャフト効率(%)、Δηsは基準操業からのシャフト効率の増加量(%)である。

以下の式(1´)を、「Δηs×ΔV項」を無視して、ΔVについて解くことにより上述の式(2)を算出することができる。
(a_g*ηs+b_g)*V + (c_g*ηs+d_g)
=(a_g*(ηs+Δηs)+b_g)*(V+ΔV) + (c_g*(ηs+Δηs)+ d_g) ・・・・・(式1´)

同様に、図5に示すシャフト効率(%)に応じた各ラインは線形であるため、炭素消費原単位(kg/THM)は水素ガス吹込量(Nm³/THM)及びシャフト効率(%)の関数として、以下の式(3)により規定することができる。
炭素消費原単位= (a_c*ηs+b_c)*V+(c_c*ηs+ d_c) ・・・・・(式3)
ここで、ηs:シャフト効率(%)、V: 水素ガス吹込量(Nm³/THM)であり、a_c,b_c, c_c及びd_cは水素系還元材の種類に応じて異なる定数であり、水素ガスの場合a_c=-0.0022, b_c=0, c_c=-3.20, d_c=725である。式(3)から、炭素消費原単位(kg/THM)は、水素ガス吹込量1(Nm³/THM)あたり、(a_c*ηs+b_c) (kg/THM)だけ変動する。また、シャフト効率が1(%)変化すると、(a_c*V + c_c) (kg/THM)だけ変化する。従って、ある基準となる操業に対して、シャフト効率がΔηs(%)だけ減少(Δηs<0)したときに、炭素消費原単位(kg/THM)が等しくなるような水素ガス吹込量の増分ΔV(Nm³/THM)は、式(4)となる。
ΔV = -(a_c*V + c_c)*Δηs/(a_c*ηs + b_c) ・・・・・ (式4)
ここで、Vは基準操業における水素ガス吹込量 (Nm³/THM)、ηsは基準操業におけるシャフト効率、Δηsは基準操業からのシャフト効率の変化量(%)である。

以上の考察結果から、シャフト効率等の高炉の還元効率を評価する評価値を管理指標とし、当該評価値の変化に応じて、例えば水素等の水素系還元材の吹込量を制御すれば良いことがわかる。すなわち、還元効率が向上し、高炉ガス発熱量原単位が低下した場合には、水素系還元材の吹込量を増大させるアクションを実行することにより、高炉ガス発熱量原単位を維持できる。また、還元効率が低下し、炭素消費原単位が増大した場合には、水素系還元材の吹込量を増大させるアクションを実行することにより、炭素消費原単位を維持できる。

次に、本発明の実施形態について説明する。
(第1実施形態)
本実施形態では、高炉のシャフト効率(ηs₁)を監視し、予め定められた基準のシャフト効率(ηs₀)からの差(Δηs=ηs₁-ηs₀)が管理上限値(Δηs_-U)を超えた場合に、水素ガスの吹込量を、予め定められた基準の吹込量(V₀(Nm³/THM))から、式(2)で定めるΔV以上増加させる。吹込方法については、特に限定しないが、例えば、ブローパイプ内に延出したランスを介して高炉の羽口から吹き込むことができる（他の実施形態においても、同様である）。

過去の当該高炉の操業実績から、基準とすべき高炉の炭素消費原単位(kg/THM)及び高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)を決定し、その操業時のシャフト効率(%)及び水素ガス吹込量(Nm³/THM)を基準となる操業条件とすることができる。シャフト効率(%)の管理上限値の設定は、高炉の炭素消費原単位(kg/THM)及び高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)の変化を勘案し、好ましくは、0.5～2.0%である。

本実施形態では、表1の操業条件、水素ガス吹込量=0 (Nm³/THM)、シャフト効率94%を基準操業とすることができる。図6は、図4に対応しており、基準操業時における水素ガス吹込量及び高炉ガス発熱量原単位の値を黒塗りの丸印でプロットしている。なお、図6のグラフが、請求項2に記載の相関情報に相当する。図7は、図5に対応しており、基準操業時における水素ガス吹込量及び炭素消費原単位の値を黒塗りの丸印でプロットしている。

ここで、基準操業中に、原料の被還元性を向上させたり、装入物分布を改善させたり等することにより、シャフト効率が96%に増加したと仮定する。高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)を一定に維持するために要する水素ガス吹込量の増加量は、式(2)より、ΔV = 72.5 (Nm³/THM)である。図6における白抜きの丸印は、水素ガス吹込量を増大した後の高炉ガス発熱量原単位の値を示している。図7における白抜きの丸印は、水素ガス吹込量を増大した後の炭素消費原単位の値を示している。

図6に示すように、基準の水素ガス吹込量(0)にΔVを加えて、72.5 (Nm³/THM)以上の水素ガスを吹き込むことにより、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)の低下を防止することができる。このとき、図7に示すように、炭素消費原単位は低下する。

(第2実施形態)
本実施形態では、高炉のシャフト効率(ηs₁)を監視し、予め定められた基準のシャフト効率(ηs₀)からの差(Δηs=ηs₁-ηs₀)が管理下限値(Δηs_-L)を下回った場合に、水素ガスの吹込量を、予め定められた基準の吹込量(V₀(Nm³/THM))から、式(4)で定めるΔV以上増加させる。

過去の当該高炉の操業実績から、基準とすべき高炉の炭素消費原単位(kg/THM)及び高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)を決定し、その操業時のシャフト効率(%)及び水素ガス吹込量(Nm³/THM)を基準となる操業条件とすることができる。シャフト効率の管理下限値の設定は、高炉の炭素消費原単位(kg/THM)及び高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)の変化を勘案し、好ましくは、-0.5～-2.0%である。

第1実施形態と同様に、表1の操業条件、水素ガス吹込量=0 (Nm³/THM)、シャフト効率94%を基準操業とすることができる。図8は、図5に対応しており、基準操業時における水素ガス吹込量及び炭素消費原単位の値を黒塗りの丸印でプロットしている。なお、図8のグラフが請求項4に記載の相関情報に相当する。図9は、図4に対応しており、基準操業時における水素ガス吹込量及び高炉ガス発熱量原単位の値を黒塗りの丸印でプロットしている。

ここで、基準操業中に、原料の被還元性等の悪化により、シャフト効率が92%に低下したと仮定する。炭素消費原単位(kg/THM)を一定に維持するのに要する水素ガス吹込量の増加量は、式(4)より、ΔV = 30.9 (Nm³/THM)である。図8における白抜きの丸印は、水素ガス吹込量を増大した後の炭素消費原単位(kg/THM)の値を示している。図9における白抜きの丸印は、水素ガス吹込量を増大した後の高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)の値を示している。

図8に示すように、基準の水素ガス吹込量(0)にΔVを加えて、30.9 (Nm³/THM)以上の水素ガスを吹き込むことにより、高炉の炭素消費原単位の増大を防止することができる。このとき、図9に示すように、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)は基準操業時よりも増大する。

(第3実施形態)
本実施形態では、水素系還元材としてメタンガスを使用する。図10は、図5に対応しており、シャフト効率に応じて異なるメタンガス吹込量と炭素消費原単位との関係を示しており、横軸がメタンガス吹込量(Nm³/THM)であり、縦軸が炭素消費原単位(kg/THM)である。図11は、図4に対応しており、シャフト効率に応じて異なるメタンガス吹込量と高炉ガス発熱量原単位との関係を示しており、横軸がメタンガス吹込量(Nm³/THM)であり、縦軸が高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)である。これらのグラフは、基準の操業条件及び非特許文献2に記載されたRistモデルを利用して求めることができる。図10に示すグラフが請求項4に記載の相関情報に相当し、図11に示すグラフが請求項2に記載の相関情報に相当する。

図10を参照して、メタンガス吹込量の増大により、水素還元率が増加して、直接還元率が低下するため、炭素消費原単位が減少する。図11を参照して、メタンガス吹込量の増大により、炉頂ガスの水素濃度が増加するため、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)は増大する。

図10に示すシャフト効率に応じた各ラインは線形であるため、炭素消費原単位は、上述の式(3)によって表すことができる。ただし、ηs:シャフト効率(%)、V: メタンガス吹込量(Nm³/THM) であり、a_c=-0.0055, b_c=0.351, c_c=-3.20, d_c=725である。

図11に示すシャフト効率に応じた各ラインは線形であるため、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)は、上述の式(1)によって表すことができる。ただし、ηs:シャフト効率(%)、V: メタンガス吹込量(Nm³/THM) であり、a_g=-0.0396, b_g=6.19, c_g=-25.9, d_g=3657である。

従って、ある基準となる操業に対して、シャフト効率がΔηs(%)だけ増加したときに高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)を維持するためには、メタンガス吹込量を上述の式(2)にしたがって、増加させる必要がある。

ある基準となる操業に対して、シャフト効率が低下したときに炭素消費原単位(kg/THM)を維持するためには、メタンガス吹込量を上述の式(4)にしたがって、増加させる必要がある。

(第4実施形態)
本実施形態では、水素系還元材としてコークス炉ガス(以下、COGガスと称する)を使用する。COGガスは、コークス炉で石炭を乾留する際に発生するガスであり、水素、メタン、一酸化炭素等を含む。図12は、図5に対応しており、シャフト効率に応じて異なるCOGガス吹込量と炭素消費原単位との関係を示しており、横軸がCOGガス吹込量(Nm³/THM)であり、縦軸が炭素消費原単位(kg/THM)である。図13は、図4に対応しており、シャフト効率に応じて異なるCOGガス吹込量と高炉ガス発熱量原単位との関係を示しており、横軸がCOGガス吹込量(Nm³/THM)であり、縦軸が高炉ガス発熱量原単位(kg/THM)である。これらのグラフは、基準の操業条件及び非特許文献2に記載されたRistモデルを利用して求めることができる。また、図12に示すグラフが請求項4に記載の相関情報に相当し、図13に示すグラフが請求項2に記載の相関情報に相当する。

図12を参照して、COGガス吹込量の増大により、水素還元率が増加して、直接還元率が低下するため、炭素消費原単位が減少する。図13を参照して、COGガス吹込量の増大により、炉頂ガスの水素濃度が増加するため、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)は増大する。

図12に示すシャフト効率に応じた各ラインは線形であるため、炭素消費原単位(kg/THM)は、上述の式(3)によって表すことができる。ただし、ηs:シャフト効率(%)、V: COGガス吹込量(Nm³/THM) であり、a_c=-0.0032, b_c=0.192, c_c=-3.20, d_c=725である。

図13に示すシャフト効率に応じた各ラインは線形であるため、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)は、上述の式(1)によって表すことができる。ただし、ηs:シャフト効率(%)、V: COGガス吹込量(Nm³/THM) であり、a_g=-0.0227, b_g=3.53, c_g=-25.9, d_g=3657である。

従って、ある基準となる操業に対して、シャフト効率が増加したときに高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)を維持するためには、COGガス吹込量を上述の式(2)にしたがって、増加させる必要がある。

ある基準となる操業に対して、シャフト効率が低下したときに炭素消費原単位(kg/THM)を維持するためには、COGガス吹込量を上述の式(4)にしたがって、増加させる必要がある。

(第5実施形態)
上述の実施形態では、還元効率を評価する評価値としてシャフト効率を用いたが、本発明はこれに限るものではなく、炉頂COガス利用率(以下、ηCOと称する)を用いることもできる。ηCOは、炉頂ガスに含まれるCOとCO₂の合計量に対するCO₂の比率であり、炉頂ガスを分析することにより算出することができる。

図14は、図4に対応しており、ηCOに応じて異なる水素ガス吹込量と高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)との関係を示しており、横軸が水素ガス吹込量(Nm³/THM)であり、縦軸が高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)である。図15は図5に対応しており、ηCOに応じて異なる水素ガス吹込量と炭素消費原単位との関係を示しており、横軸が水素ガス吹込量(Nm³/THM)であり、縦軸が炭素消費原単位(kg/THM)である。図16は、図14に対応しており、水素系還元材としてメタンガスが用いられる。図17は、図15に対応しており、水素系還元材としてメタンガスが用いられる。図18は、図14に対応しており、水素系還元材としてCOGガスが用いられる。図19は、図15に対応しており、水素系還元材としてCOGガスが用いられる。

図14，図16，図18に示すグラフが請求項2に記載の相関情報に相当し、図15，図17，図19に示すグラフが請求項4に記載の相関情報に相当する。上述の式（2）及び式（4）はそれぞれ、以下の式（2´）及び（4´）に読み替えて、本実施形態に適用することができる。
ΔV = -(a_g*V + c_g)*ΔηCO/(a_g*ηCO + b_g) ・・・・・(式2´)
ここで、Vは基準操業における水素系還元材の吹込量(Nm³/THM)、ηCOは基準操業における炉頂COガス利用率(%)、ΔηCOは基準操業からの炉頂COガス利用率の増加量(%)である。
ΔV = -(a_c*V + c_c)*Δηco/(a_c*ηco + b_c) ・・・・・(式4´)
ここで、Vは基準操業における水素系還元材の吹込量(Nm³/THM)、ηCOは基準操業における炉頂COガス利用率(%)、ΔηCOは基準操業からの炉頂COガス利用率の増加量(%)である。

すなわち、高炉のηCOを監視し、予め定められた基準のηCOからの差(ΔηCO)が管理上限値を超えた場合に、水素系還元材の吹込量を、予め定められた基準の吹込量(V₀(Nm³/THM))から、式(2´)で定めるΔV以上増加させることができる。また、高炉のηCOを監視し、予め定められた基準のηCOからの差が管理下限値を下回った場合に、水素ガスの吹込量を、予め定められた基準の吹込量(V₀(Nm³/THM))から、式(4)で定めるΔV以上増加させることができる。

なお、還元効率を評価する評価値としては、シャフト効率及び炉頂COガス利用率(ηCO)のほか、CO還元率、H₂還元率及び直接還元率等が利用できる。

(変形例1)
上述の第1～第4実施形態では、水素ガス、メタンガス及びCOGガスのいずれかを水素系還元材として用いたが、本発明はこれに限るものではなく、これらの混合ガス、炭化水素の改質ガスを用いることもできる。上述の式(1)及び(3)における係数の値を以下の表2及び3に示す。炭化水素の改質ガスにはCOガスも含まれることから、COガスにおける係数の値もあわせて示す。

水素系還元材として混合ガスを吹き込む場合には、混合ガスを構成する各ガスの混合割合(体積割合)に応じて、上述の各係数を荷重平均すればよい。図20及び図21は、メタンガス(50体積%)及び水素ガス(50体積%)の混合ガスを水素系還元材として吹き込んだ場合の結果であり、図20は図4に対応しており、図21は図5に対応している。

上述の通り、メタンガス及び水素ガスの各係数を体積割合で荷重平均することにより、図20及び図21を描画することができる。図20及び図21を用いた高炉操業方法は、上述の実施形態と同様であるから、詳細な説明を省略する。

（変形例2）
上述の実施形態1では、高炉ガス発熱量原単位(Mcal/THM)が基準操業時又はそれ以上となるように、水素ガス吹込量を設定したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、図22に図示するように、基準操業時の高炉ガス発熱量原単位よりも低い1200(Mcal/THM)を下限値として設定しておき、シャフト効率が94(%)から96(%)に上昇した時に、前記の下限値を満足するように水素ガスを吹き込んでもよい。この場合、炭素消費原単位(kg/THM)が基準操業時よりも減少することは、図7から明らかである。同様に、実施形態2の変形例として、基準操業時よりもやや高い炭素消費原単位を上限値として設定しておき、シャフト効率が低下した場合に、前記の上限値を満足するように水素ガスを吹き込んでも良い。

Claims

羽口から水素系還元材を吹き込む高炉操業方法において、
予め、前記水素系還元材の吹込量が増大するに従って高炉ガス発熱量原単位がリニアに増加する相関情報を、高炉の還元効率を評価する評価値の値に対応づけて取得しておき、
前記還元効率が向上する方向に前記評価値が変動した際に、前記相関情報を用いて前記水素系還元材の吹込量を決定し、前記羽口から吹き込まれる前記水素系還元材の吹込量を増大させるアクションを実行することを特徴とする高炉操業方法。
前記アクションを実行した後の高炉ガス発熱量原単位が、前記アクションを実行する前の高炉ガス発熱量原単位以上となるように、前記水素系還元材の吹込量を決定することを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
前記評価値は、シャフト効率又は炉頂ＣＯガス利用率であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉操業方法。