JP7203680B2

JP7203680B2 - ガス吹込み条件の設定方法及びガス吹込み条件の設定方法のプログラム

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Publication number: JP7203680B2
Application number: JP2019080924A
Authority: JP
Inventors: 浩樹西岡; 博酒井
Original assignee: JFE Steel Corp; Kobe Steel Ltd; Nippon Steel Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; Kobe Steel Ltd; Nippon Steel Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2023-01-13
Anticipated expiration: 2039-04-22
Also published as: JP2020176318A

Description

本発明は、高炉数学モデルに用いられるガス吹込み条件の設定方法と、ガス吹込み条件の設定方法のプログラムに関する。

近年、地球温暖化の観点から、ＣＯ_２排出量の削減が喫緊の課題となっている。高炉からのＣＯ_２排出量を削減するには、高炉で使用するコークスや微粉炭等、炭素を多く含む還元材（以下、「炭素還元材」ともいう）の削減、すなわち溶銑１ｔあたりの炭素消費量（炭素消費原単位）の削減が不可避である。

そこで、近年、高炉の炉頂から排出される炉頂排ガス（以下、「ＢＦＧ」ともいう）からＣＯ_２およびＨ_２Ｏの少なくとも一部を除去したガス（以下、「調整ＢＦＧ」ともいう）を、炉下部に設けられる通常羽口や、シャフト部に設けられるシャフト羽口から吹き込み、これらのガスに含まれるＣＯやＨ_２を炭素還元材の代替として使用することが検討されている（例えば、特許文献１～３）。

このような新たな操業の設計を行うには、高炉数学モデルによる数値シミュレーション（以下、「解析」ともいう）を行うことが必要不可欠である。高炉数学モデルとしては、高炉の内部領域を複数の小領域（以下、「計算格子」ともいう）に分割し、各計算格子において、物質収支、運動量収支及びエネルギー収支の数式を解くことにより、高炉内の温度分布、ガス濃度分布、鉱石の還元率分布等の炉内状態を解析する数学モデルがある（非特許文献１）。特許文献４では、高炉数学モデルにより炉内状態を解析するとともに、解析した炉内状態と実測した炉内状態とに基づき、的確な操業条件を決定している。

国際公開第２０１５／１０５１０７号特開２０１６－１１３６７７号公報特開２０１８－７０９５２号公報特開平８－２９５９１０号公報

ＫｏｕｊｉＴａｋａｔａｎｉ，ＴａｋａｎｏｂｕＩｎａｄａ，ＹｕｔａｋａＵｊｉｓａｗａ，「Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＤｙｎａｍｉｃＳｉｍｕｌａｔｏｒｆｏｒＢｌａｓｔＦｕｒｎａｃｅ」、ＩＳＩＪＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、一般社団法人日本鉄鋼協会、１９９９年、Ｖｏｌ．３９、Ｎｏ．１、ｐ１５－２２

高炉に吹き込まれる調整ＢＦＧは、ＢＦＧからＨ_２Ｏ及びＣＯ_２の少なくとも一部を除去することで生成されている。ＢＦＧからＨ_２Ｏ及びＣＯ_２を除去するには、通常、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２の除去装置（分離・回収装置）が使用される。従来、調整ＢＦＧを吹き込む高炉を解析対象として、高炉数学モデルによる解析を行う場合、調整ＢＦＧが、ＢＦＧからＣＯ_２およびＨ_２Ｏが完全に除去されたガスであると仮定して計算を行っていた。しかしながら、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２の除去装置には、Ｈ_２Ｏの除去率やＣＯ_２の除去率などの仕様があり、ＢＦＧからＣＯ_２およびＨ_２Ｏをすべて除去できるとは限らない。

また、特許文献２には、高炉操業シミュレーション（高炉数学モデル）において、炉頂排ガスの組成を計算し、その結果に応じて改質炉頂排ガスの入力条件を逐次更新することが開示されているものの、改質炉頂排ガスの入力条件を取得する具体的な方法については開示されていない。

本発明は、ＢＦＧからＨ_２Ｏ及びＣＯ_２を除去する除去装置で生成した調整ＢＦＧを、シャフト羽口及び／又は通常羽口から吹き込む高炉を解析対象とした、高炉数学モデルのガス吹込み条件の設定方法に係る新規な技術を提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係る高炉数学モデルのガス吹き込み条件の設定方法は、（１）高炉の炉頂から排出される炉頂排ガスを、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２を除去する除去装置に供給し、前記炉頂排ガスからＨ_２Ｏ及びＣＯ_２の少なくとも一部を除去して生成した調整炉頂排ガスを、シャフト羽口と通常羽口の少なくとも一方の羽口を介して吹き込む高炉を対象として解析を行う、物質収支、運動量収支、及びエネルギー収支を考慮した高炉数学モデルのガス吹き込み条件の設定方法であって、前記除去装置に供給される前記炉頂排ガスの各成分のモル流量を求める第１工程と、前記第１工程で求めた前記炉頂排ガス中のＣＯ_２のモル流量と、前記除去装置のＣＯ_２除去率から、前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガス中のＣＯ_２のモル流量を求める第２工程と、前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量を、前記第１工程で求めた前記炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量よりも低い値に設定する第３工程と、前記第１工程で求めたＣＯ_２及びＨ_２Ｏ以外の前記炉頂排ガスの各成分のモル流量と、前記第２工程で求めた前記調整炉頂排ガス中のＣＯ_２のモル流量と、前記第３工程で設定した前記調整炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量から、前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガスの成分及び流量を求める第４工程と、前記第４工程で求めた前記調整炉頂排ガスの成分及び流量から、前記高炉数学モデルのガス吹き込み条件として、前記羽口から前記高炉に吹き込まれる前記調整炉頂排ガスの成分及び流量を設定する第５工程と、を有することを特徴とする。

（２）前記除去装置は、ＣＯ_２を除去するＣＯ_２除去装置と、前記ＣＯ_２除去装置からの前記炉頂排ガスを昇圧して前記炉頂排ガス中のＨ_２Ｏを凝縮させて、前記炉頂排ガスからＨ_２Ｏの少なくとも一部を除去するブロワとを含み、前記第３工程は、前記ブロワにより昇圧された前記炉頂排ガスの温度と圧力における飽和水蒸気量から求められる値を、前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量として設定することを特徴とする（１）に記載のガス吹き込み条件の設定方法。

（３）前記第１工程は、前記除去装置に供給される前記炉頂排ガス中の各成分のモル流量として、所定期間の間に前記除去装置に供給される前記炉頂排ガスの各成分のモル流量の平均値を求めることを特徴とする（１）又は（２）に記載のガス吹き込み条件の設定方法。

（４）前記高炉は、被加熱ガスを予熱ガスバーナーで予熱した予熱ガスを、予熱羽口から吹きこむ高炉であり、前記ガス吹き込み条件の設定方法は、さらに、前記予熱ガスバーナーに供給される前記被加熱ガスの流量、温度、及び組成から、前記予熱ガスバーナーで生成される前記予熱ガスの流量、温度及び組成の少なくともいずれか一つの条件を求める第６工程と、前記第６工程で求めた前記条件から、前記高炉数学モデルのガス吹き込み条件として、前記予熱羽口から前記高炉に吹き込まれる前記予熱ガスの流量、温度及び組成の少なくともいずれか一つの条件を設定する第７工程と、を有することを特徴とする（１）から（３）のいずれか一つに記載ガス吹き込み条件の設定方法。

（５）高炉の炉頂から排出される炉頂排ガスをＨ_２Ｏ及びＣＯ_２を除去する除去装置に供給し、前記炉頂排ガスからＨ_２Ｏ及びＣＯ_２の少なくとも一部を除去して生成した調整炉頂排ガスを、シャフト羽口と通常羽口の少なくとも一方の羽口を介して吹き込む高炉を対象として解析を行う、物質収支、運動量収支、及びエネルギー収支を考慮した高炉数学モデルのガス吹込み条件を設定するために、コンピュータに下記工程を実行させるプログラムであって、前記除去装置に供給される前記炉頂排ガスの各成分のモル流量を求める第１工程と、前記第１工程で求めた前記炉頂排ガス中のＣＯ_２のモル流量と、前記除去装置のＣＯ_２除去率から、前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガス中のＣＯ_２のモル流量を求める第２工程と、前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量を、前記第１工程で求めた前記炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量よりも低い値に設定する第３工程と、前記第１工程で求めたＣＯ_２及びＨ_２Ｏ以外の前記炉頂排ガスの各成分のモル流量と、前記第２工程で求めた前記調整炉頂排ガス中のＣＯ_２のモル流量と、前記第３工程で設定した前記調整炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量から、前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガスの成分及び流量を求める第４工程と、前記第４工程で求めた前記調整炉頂排ガスの成分及び流量から、前記高炉数学モデルのガス吹込み条件として、前記羽口から前記高炉に吹き込まれる前記調整炉頂排ガスの成分及び流量を設定する第５工程と、を有することを特徴とするガス吹込み条件の設定方法のプログラム。

（６）前記除去装置は、ＣＯ_２を除去するＣＯ_２除去装置と、前記ＣＯ_２除去装置からの前記炉頂排ガスを昇圧して前記炉頂排ガス中のＨ_２Ｏを凝縮させて、前記炉頂排ガスからＨ_２Ｏの少なくとも一部を除去するブロワとを含み、前記第３工程は、前記ブロワにより昇圧された前記炉頂排ガスの温度と圧力における飽和水蒸気量から求められる値を、前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量として設定することを特徴とする（５）に記載のガス吹込み条件の設定方法のプログラム。

（７）前記第１工程は、前記除去装置に供給される前記炉頂排ガス中の各成分のモル流量として、所定期間の間に前記除去装置に供給される前記炉頂排ガスの各成分のモル流量の平均値を求めることを特徴とする（５）又は（６）に記載のガス吹込み条件の設定方法のプログラム。

（８）前記高炉は、被加熱ガスを予熱ガスバーナーで予熱した予熱ガスを、予熱羽口から吹きこむ高炉であり、さらに、前記予熱ガスバーナーに供給される前記被加熱ガスと、前記予熱ガスバーナーに供給される支燃性ガスと、前記予熱ガスバーナーの燃料として用いられる燃料ガスのそれぞれのガスの流量、温度、及び組成から、前記予熱ガスバーナーで生成される前記予熱ガスの流量、温度及び組成の少なくともいずれか一つの条件を求める第６工程と、前記第６工程で求めた前記条件から、前記高炉数学モデルのガス吹込み条件として、前記予熱羽口から前記高炉に吹き込まれる前記予熱ガスの流量、温度及び組成の少なくともいずれか一つの条件を設定する第７工程と、をコンピュータに実行させることを特徴とする（５）から（７）のいずれか一つに記載のガス吹込み条件の設定方法のプログラム。

本発明によれば、ＢＦＧからＨ_２Ｏ及びＣＯ_２を除去する除去装置で生成した調整ＢＦＧを、シャフト羽口及び／又は通常羽口から吹き込む高炉を解析対象とした、高炉数学モデルのガス吹込み条件の設定方法に係る新規な技術を提供することができる。

対象高炉の一例を説明する説明図である。対象高炉の一例を説明する説明図である。対象高炉の一例を説明する説明図である。調整ＢＦＧのガス吹込み条件を設定する手順を示すフローチャートである。予熱ガスのガス吹込み条件を設定する手順を示すフローチャートである。ベース操業条件下における解析結果を示す図である。調整ＢＦＧ吹込み操業条件下における解析結果を示す図である。

本発明の一実施形態について説明する。本実施形態は、高炉数学モデルに用いるガス吹込み条件の設定方法に関する。

本実施形態によりガス吹込み条件を設定する対象の高炉（以下、「対象高炉」ともいう）は、高炉の炉頂から排出される炉頂排ガス（ＢＦＧ）からＨ_２Ｏ及びＣＯ_２の少なくとも一部を除去したガス（調整ＢＦＧ）を吹き込む高炉である。より具体的には、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２を除去する除去装置（以下、単に「除去装置」ともいう）にＢＦＧを供給し、ＢＦＧからＨ_２Ｏ及びＣＯ_２の少なくとも一部を除去することで生成した調整ＢＦＧを、シャフト羽口及び／又は通常羽口から吹き込む高炉が対象高炉である。本実施形態は、この対象高炉に吹き込まれる調整ＢＦＧのガス吹込み条件を設定する方法である。なお、シャフト羽口及び通常羽口の詳細は後述する。

対象高炉の一例を、図１を用いてより具体的に説明する。図１は、対象高炉１の一例を説明する説明図である。

図１に示すように、対象高炉１には、通常羽口２が設けられている。通常羽口２は、炉下部１ａに設けられる熱風の送風羽口であり、炉周方向に所定間隔をあけて複数設置できる。通常羽口２からは、熱風炉１１において所定の温度（１０００℃～１２００℃）に加熱された酸素富化空気（空気よりも酸素の濃度が高い空気）が対象高炉１に吹き込まれる。酸素富化空気は、適宜調湿される。また、通常羽口２からは、酸素富化空気とともに微粉炭が吹き込まれてもよい。対象高炉１に吹き込まれる酸素富化空気は、高炉１内のコークス（及び微粉炭）と反応することで、高温の還元ガス（主としてＣＯガス）を発生させる。還元ガスは、高炉１内を上昇し、鉱石を加熱しながら還元する。

対象高炉１には、通常羽口２に加えて、シャフト羽口３が設けられていてもよい。シャフト羽口３は、シャフト部１ｂ（例えば、シャフト部１ｂの下部）に設けられるガスの吹込み口であり、炉周方向に所定間隔をあけて等間隔で複数設置できる。なお、シャフト部１ｂとは、下方に向かって炉径が拡大する部位を指す。また、シャフト部１ｂ及び炉下部１ａの間には、炉腹部１ｃ及び朝顔部１ｄがある。シャフト羽口３には、調整ＢＦＧが流通するガス流路が接続されている。このガス流路には、調整ＢＦＧを加熱する加熱手段１２が設けられており、加熱された調整ＢＦＧが、シャフト羽口３を介して対象高炉１に吹き込まれる。調整ＢＦＧの加熱方法は任意であるが、電気ヒーターで加熱する方法や、加熱バーナーから生成される熱を利用して間接的に加熱する方法を用いることができる。加熱されるガス（調整ＢＦＧ）の温度は、例えば、７００～９００℃程度とすることができる。

シャフト羽口３に接続されるガス流路は、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏの除去装置１３に接続されている。調整ＢＦＧは、この除去装置１３で生成され、シャフト羽口３と除去装置１３をつなぐガス流路に排出される。シャフト羽口３と除去装置１３をつなぐガス流路は、調整ＢＦＧが加熱される位置よりも調整ＢＦＧの流れの上流において分岐し、分岐するガス流路は、通常羽口２に接続されていてもよい。分岐するガス流路が通常羽口２に接続されていることにより、除去装置１３で生成される調整ＢＦＧは、シャフト羽口３に加えて、通常羽口２からも対象高炉１に吹き込まれる。

ここで、炉頂から排出されるＢＦＧの組成や流量は、時間の経過とともに変動するため、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧの組成や流量も、時間の経過とともに変動する。しかしながら、このような変動は、高炉１の操業上、抑制することが好ましい。対象高炉１では、このような変動を抑制するため、除去装置１３と羽口（通常羽口２及びシャフト羽口３）をつなぐガス流路に特定の成分のガスを供給するガス供給手段１４が設けられていてもよい。このガス供給手段１４は、調整ＢＦＧの組成や流量に変動が生じたときに、調整ＢＦＧに含まれる特定の成分のガスを供給し、ガス流路を流通する調整ＢＦＧの組成や流量を平均化する。調整ＢＦＧに供給される特定の成分のガスは、例えば、特開２０１７－１０４８０８号公報に記載されるような、圧力スイング吸着法を用いて回収した特定の成分のガスを用いることができる。なお、圧力スイング吸着法とは、加圧した混合ガス中の特定の成分のみを吸着材に吸着させ、次いで圧力を低下させることにより、混合ガス中の特定の成分のみを回収する方法である。

調整ＢＦＧを生成する除去装置１３は、調整ＢＦＧを排出する流路（つまり、通常羽口２及びシャフト羽口３につながるガス流路）に加え、他のガス流路にも接続されている。他のガス流路には、炉頂付近で回収されたＢＦＧが流通しており、その一部が除去装置１３に供給されている。除去装置１３は、このガス流路を介して供給されるＢＦＧからＣＯ_２及びＨ_２Ｏの少なくとも一部を除去して調整ＢＦＧを生成している。除去装置１３において、ＢＦＧからＣＯ_２を除去する方法は、任意であるが、例えば、特開２０１５－１３１７３６号公報に記載されるように、ＣＯ_２を吸収する吸収液にＢＦＧを接触させ、ＢＦＧからＣＯ_２を除去する方法を用いることができる。

また、除去装置１３において、ＢＦＧからＨ_２Ｏを除去する方法は、任意であるが、例えば、ＢＦＧを冷却したり、ＢＦＧに圧力（例えば、除去装置１３から調整ＢＦＧを排出するために加える送風圧）を加えたりすることでＢＦＧ中のＨ_２Ｏを凝縮させ、ＢＦＧからＨ_２Ｏを除去する方法を用いることができる。なお、図１に示す対象高炉１において、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏは単一の除去装置１３によって除去されるが、除去装置１３の構成はこれに限定されず、図２に示すように、ＣＯ_２の除去装置１３Ａ及びＨ_２Ｏの除去装置１３Ｂが直列に接続される構成であってもよい。

好ましくは、除去装置１３Ｂはブロワを備え、ブロワでＢＦＧを昇圧してＨ_２Ｏを凝縮させて除去する。ＢＦＧ中のＨ_２Ｏは、ブロワに供給されるよりも前に一部除去されていてもよい。例えば、炉頂から排出されるＢＦＧはベンチュリースクラバーなどの湿式集塵装置（不図示）によって水をかけて洗浄されるところ、この時点でＢＦＧの温度は常温程度まで低下してＢＦＧ中のＨ_２Ｏは一部凝縮して除去される。

ＣＯ_２の除去装置１３Ａ及びＨ_２Ｏの除去装置１３Ｂが別個に設けられている場合において、その順番は特に限定しないが、吸収液によってＣＯ_２を除去する場合、ＣＯ_２の除去装置１３Ａよりも後（下流側）にＨ_２Ｏの除去装置１３Ｂが設けられていることが好ましい。このとき、吸収液が常温よりも高い温度である場合、ＣＯ_２の除去装置１３Ａを出た後のＢＦＧ（調整ＢＦＧ）中の水分量は、ベンチュリースクラバーを出た後のＢＦＧ中の水分量よりも多くなる。

このように、図１又は図２に示す対象高炉１では、炉頂から排出されるＢＦＧの少なくとも一部を除去装置１３（１３Ａ，１３Ｂ）に供給してＢＦＧから調整ＢＦＧを生成し、除去装置１３（１３Ａ，１３Ｂ）で生成された調整ＢＦＧをシャフト羽口３及び通常羽口２を介して対象高炉１内に吹き込んでいる。調整ＢＦＧが対象高炉１内に吹き込まれることで、調整ＢＦＧ中のＣＯやＨ_２が、還元ガスとして使用される。このため、図１又は図２に示す対象高炉１では、コークスや微粉炭等の還元材の使用量を削減することができる。

また、図１又は図２に示す対象高炉１では、調整ＢＦＧや酸素冨化空気に加えて、コークス炉から排出されるコークス炉ガス（以下、「ＣＯＧ」ともいう）を、通常羽口２を介して吹き込んでいる。ＣＯＧが吹き込まれることで、ＣＯＧ中のＣＯやＨ_２が還元ガスとして使用される。このため、図１又は図２に示す対象高炉１では、コークスや微粉炭等の還元材の使用量をさらに削減できる。

なお、対象高炉は、図１又は図２に示す高炉１に限定されるものではなく、ＢＦＧをＨ_２Ｏ及びＣＯ_２を除去する装置に供給し、ＢＦＧからＨ_２Ｏ及びＣＯ_２の少なくとも一部を除去することで生成した調整ＢＦＧを、シャフト羽口３及び／又は通常羽口２から吹き込む高炉であればよい。例えば、図１又は図２に示す高炉１において、通常羽口２からＣＯＧを吹き込まない高炉であってもよく、シャフト羽口３から改質ＣＯＧ（ＣＯＧを改質して水素濃度を高めたガス）を吹き込む高炉であってもよい。また、例えば、図１又は図２に示す高炉１において、調整ＢＦＧをシャフト羽口３のみから吹き込む高炉であってもよい。また、例えば、図１又は図２に示す高炉１において、調整ＢＦＧを通常羽口２のみから吹き込む高炉であってもよい。このような場合であっても、調整ＢＦＧに含まれるＣＯやＨ_２を還元ガスとして使用できる。

ここで、図１又は図２に示す対象高炉１のように、通常羽口２からＣＯＧ及び調整ＢＦＧのような還元ガスを吹き込む高炉においては、酸素富化率を高くすることにより羽口前温度が維持される。酸素富化率の高い空気を吹き込む高炉では、酸素富化率の低い空気を吹き込む高炉と比較して、高炉に吹き込まれる熱風量が少ない。このため、熱流比（高炉内を流通するガス（気体）の熱容量に対する固体（鉱石など）の熱容量の比率）が上昇し、高炉内を流通するガスにより固体（鉱石など）が加熱されにくくなる。その結果、炉頂付近の温度が低下しやすくなる傾向にある。また、ＣＯによる鉱石の還元反応が発熱反応であるのに対し、ＣＯＧや調整ＢＦＧに含まれるＨ_２による鉱石の還元反応は吸熱反応である。このため、図１又は図２に示す対象高炉１のように、ＣＯＧや調整ＢＦＧに含まれるＨ_２により鉱石を還元する高炉では、鉱石の昇温速度が低下する。従って、図１又は図２に示す対象高炉１では、高炉１内の温度が低下しやすく、低温領域で発生しやすい鉱石の粉化（以下、「還元粉化」ともいう）が生じやすい傾向にある。

一方、図１又は図２に示す対象高炉１において、調整ＢＦＧを通常羽口２のみから吹き込む場合（つまり、シャフト羽口３から加熱した調整ＢＦＧを高炉内に吹き込まない場合）には、高炉１内が低温になりやすく、還元粉化が生じやすい傾向にある。このため、調整ＢＦＧを通常羽口２のみから吹き込む対象高炉１では、図３に示すように、予熱ガスバーナー１５でＢＦＧを予熱して生成した予熱ガスを、予熱羽口４を介して高炉１に吹き込むことが好ましい。予熱ガスを予熱羽口４から供給することで、調整ＢＦＧを通常羽口２のみから吹き込む場合であっても、高炉１内が低温になることを抑制でき、還元粉化を抑制できる。なお、予熱羽口４は、シャフト部１ｂの中部から上部に設けられる予熱ガスの吹込み口であり、炉周方向における所定の間隔で複数設置できる。

ＢＦＧを予熱ガスバーナー１５で予熱する方法は、任意であり、例えば、燃料ガス（例えば、ＣＯＧや都市ガス）と支燃性ガス（例えば、酸素や空気）を混合して予熱ガスバーナー１５で燃焼させ、ＢＦＧを予熱する方法を用いることができる。予熱ガスの温度は、還元粉化を抑制できる温度であればよいが、７００℃以上１０００℃未満であることが好ましい。７００℃未満は還元粉化が生じやすい温度であるため、予熱ガス温度が７００℃未満では、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やすくなる。

なお、図３に示す対象高炉１では、予熱ガスバーナー１５で予熱した予熱ガスが他のガスと混合されることなく、予熱羽口４を介して対象高炉１に吹き込まれているが、予熱ガスバーナー１５で予熱した予熱ガスは、温度調整を目的として、低温のガス（例えば、ＢＦＧ）と混合された上で予熱羽口４を介して対象高炉１に吹き込まれてもよい。また、図３に示す対象高炉１では、ＢＦＧを予熱ガスバーナー１５で予熱することで予熱ガスを生成しているが、予熱ガスを生成するために使用するガスはＢＦＧでなくてもよい。予熱ガスを生成するために使用するガスとしては、ＢＦＧまたは、Ｎ_２等の不活性ガスなどを被加熱ガスとして用いることができる。

次に、上述した対象高炉１を解析対象とする、高炉数学モデルに用いられるガス吹込み条件の設定方法について説明する。

まず、高炉数学モデルにおいて用いられるガス吹込み条件として、シャフト羽口３及び／又は通常羽口２を介して吹き込まれる調整ＢＦＧの成分及び流量を設定する方法について、図４を用いて説明する。図４は、ガス吹込み条件を設定する手順を示すフローチャートである。図４に示すように、本実施形態のガス吹込み条件の設定方法では、ステップＳ１０１～ステップＳ１０５の処理を行う。

ステップＳ１０１の処理では、実際に操業している対象高炉１を用いて、除去装置１３に供給されるＢＦＧの各成分のモル流量を求める。ここで、ＢＦＧに含まれる主要な成分は、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２の５成分である。このため、ステップＳ１０１では、ＢＦＧの各成分のモル流量として、これらの５成分のモル流量を求めることができる。除去装置１３に供給されるＢＦＧの各成分のモル流量の求め方は、任意であるが、例えば、下記式（１）～（５）から求めることができる。このほか、ＳｉＯなどの微量成分を考慮してもよい。

上記式（１）において、ＣＯ_ＢＦＧは、除去装置１３に供給されるＢＦＧ中のＣＯのモル流量［ｍｏｌ/ｍｉｎ］を示す。上記式（２）において、ＣＯ_２ＢＦＧは、除去装置１３に供給されるＢＦＧ中のＣＯ_２のモル流量［ｍｏｌ/ｍｉｎ］を示す。上記式（３）において、Ｈ_２ＢＦＧは、除去装置１３に供給されるＢＦＧ中のＨ_２のモル流量［ｍｏｌ/ｍｉｎ］を示す。上記式（４）において、Ｈ_２Ｏ_ＢＦＧは、除去装置１３に供給されるＢＦＧ中のＨ_２Ｏのモル流量［ｍｏｌ/ｍｉｎ］を示す。上記式（５）において、Ｎ_２ＢＦＧは、除去装置１３に供給されるＢＦＧ中のＮ_２のモル流量［ｍｏｌ/ｍｉｎ］を示す。また、上記式（１）～（５）において、ρ_０，ｉは、成分ｉ（ｉ＝ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２）の標準状態の密度［ｇ／Ｎｍ^３］を示し、ｘ_{ｉ，ＢＦＧ}は、ＢＦＧ中の成分ｉの体積比率［－］を示し、ｖ_{ａｌｌ，ＢＦＧ}は、除去装置１３に供給されるＢＦＧの流量［Ｎｍ^３／ｍｉｎ］を示し、ＭＷ_ｉは、成分ｉのモル質量［ｇ／ｍｏｌ］を示す。ρ_０，ｉをＭＷ_ｉで除したものを体積モル濃度・モル密度［ｍｏｌ／Ｎｍ^３］として用いてもよい。

上記式（１）～（５）における、成分ｉの体積比率ｘ_{ｉ，ＢＦＧ}は、例えば、対象高炉１の炉頂から排出されるＢＦＧをサンプリングし、サンプリングしたＢＦＧをガスクロマトグラフィーで分析することにより得ることができる。また、上記式（１）～（５）における、ＢＦＧの流量ｖ_{ａｌｌ，ＢＦＧ}は、例えば、炉頂から排出されたＢＦＧの流量を流量計で測定することにより得ることができる。ここで、ＢＦＧの流量を測定した位置よりもガス（ＢＦＧ）の流れの下流において、ＢＦＧが流通するガス流路が分岐し、その一部のガス流路のみが除去装置１３に接続されている場合には、当該一部のガス流路にも流量計を設置して流量を測定して得た値を、ＢＦＧの流量ｖ_{ａｌｌ，ＢＦＧ}として用いることができる（ガス流路が二分される場合には、一方のガス流路に流量計を設置して他方のガス流路の流量を推定してもよく、ガス流路が三本以上に分岐する場合も同様である）。一方、流量を測定した位置よりもガス（ＢＦＧ）の流れの下流において、ガス流路が分岐することなく除去装置１３に接続されている場合には、測定したＢＦＧの流量を、ＢＦＧの流量ｖ_{ａｌｌ，ＢＦＧ}として用いることができる。

ステップＳ１０１で求める各成分のモル流量は、所定期間の間に除去装置１３に供給されるＢＦＧの各成分のモル流量の平均値であってもよい。これにより、除去装置１３に供給されるＢＦＧの成分の変動を抑えることができ、除去装置１３の上流にＢＦＧ用のバッファタンクが設けられている場合を考慮することもできる。

モル流量の平均値の求め方は、任意であるが、例えば、所定期間の間に複数回、ＢＦＧに含まれる各成分のモル流量を求め、求めたモル流量を成分毎に加算平均することにより求めることができる。また、例えば、所定期間の間に複数回、上記式（１）～（５）に示す体積比率ｘ_{ｉ，ＢＦＧ}及び流量ｖ_{ａｌｌ，ＢＦＧ}を取得して、取得した体積比率ｘ_{ｉ，ＢＦＧ}及び流量ｖ_{ａｌｌ，ＢＦＧ}をそれぞれ加算平均した値を、上記式（１）～（５）に代入することにより求めることができる。各成分のモル流量の平均値を取るための期間は、抑えたい成分の変動レベルやバッファタンクの容量により適宜設定することができ、例えば数十分または数時間とすることができる。または、数日から数週間程度であってもよい。

ステップＳ１０２の処理では、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧ中のＣＯ_２のモル流量を求める。除去装置１３から排出される調整ＢＦＧ中のＣＯ_２のモル流量は、ステップＳ１０１で求めたＣＯ_２のモル流量と、除去装置１３のＣＯ_２除去率とから、下記式（６）を用いて求めることができる。

上記式（６）において、ＣＯ_{２ａ-ＢＦＧ}は、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧ中のＣＯ_２のモル流量［ｍｏｌ/ｍｉｎ］を示し、ＣＯ_２ＢＦＧは、除去装置１３に供給されるＢＦＧ中のＣＯ_２のモル流量［ｍｏｌ/ｍｉｎ］を示し、Ｒ_ＣＯ２は、除去装置１３のＣＯ_２除去率［－］を示す。

上記式（６）におけるＣＯ_２除去率Ｒ_ＣＯ２は、除去装置１３に供給されるＢＦＧ中のＣＯ_２量に対する、除去装置１３で除去されるＣＯ_２量の割合である。上記式（６）におけるＣＯ_２除去率Ｒ_ＣＯ２は、０以上１以下の範囲内において、除去装置１３のＣＯ_２除去能力に応じた値を設定すればよい。ＣＯ_２除去率Ｒ_ＣＯ２は、除去装置１３毎に予め設定される固定値であってもよいが、除去装置１３によっては吹き込まれるＢＦＧの状態（温度、圧力、流量、組成など）に応じてＣＯ_２除去率が変化することがあるため変動値であってもよい。例えば、ＣＯ_２除去率Ｒ_ＣＯ２が除去装置１３に供給されるＣＯ_２の流量に応じて変化する場合には、除去装置１３に供給されるＣＯ_２のモル流量とＣＯ_２除去率Ｒ_ＣＯ２との関係を予め求めておき、除去装置１３に供給されるＣＯ_２のモル流量（つまり、ステップＳ１０１で求めたＣＯ_２のモル流量）から、ＣＯ_２除去率Ｒ_ＣＯ２を決定してもよい。

ステップＳ１０３の処理では、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧ中のＨ_２Ｏのモル流量を、ステップＳ１０１で求めた炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量よりも低い値に設定する。当該値は、ステップＳ１０１で求めた炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量よりも低いものであればよく、除去装置１３のＨ_２Ｏ除去能力に応じた値を設定すればよい。当該値は、例えば、固定値であってもよく、また、除去装置１３の出口のＢＦＧの状態（温度、圧力、流量、組成など）によって変動する変動値であってもよい。

ここで、除去装置１３において、ＢＦＧ中のＨ_２Ｏを凝縮することで、ＢＦＧからＨ_２Ｏを除去している場合には、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧ中のＨ_２Ｏ量は、除去装置１３内のＢＦＧの温度及び圧力における飽和水蒸気量から求めることができる。従って、除去装置１３において、ＢＦＧ中のＨ_２Ｏを凝縮することで、ＢＦＧからＨ_２Ｏを除去している場合、除去装置１３の出口のＢＦＧの温度及び圧力における飽和水蒸気量を用いて、下記式（７）から求めた値を用いることができる。

上記式（７）において、Ｐ_Ｈ２Ｏは、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧ中のＨ_２Ｏのモル流量として設定する値［ｍｏｌ/ｍｉｎ］を示し、Ｃ_{Ｈ２Ｏ，ａ－ＢＦＧ}は、除去装置１３の出口のＢＦＧの温度及び圧力における飽和水蒸気量［ｇ/ｍ³］を示し、ｖ_{ａｌｌ，ａ－ＢＦＧ}は、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧの流量［Ｎｍ^３／ｍｉｎ］を示し、ＭＷ_Ｈ２ＯはＨ_２Ｏの分子量を示す。また、Ｔは、除去装置１３の出口のＢＦＧの温度［℃］を示し、ｐは、除去装置１３の出口のＢＦＧの圧力［ｈｐａ］を示す。

上記式（７）における飽和水蒸気量Ｃ_{Ｈ２Ｏ，ａ－ＢＦＧ}は、下記式（８）から求めることができる。

上記式（８）において、Ｃ_{Ｈ２Ｏ，ａ－ＢＦＧ}は、除去装置１３の出口のＢＦＧの温度及び圧力における飽和水蒸気量［ｇ/ｍ³］を示し、Ｔは、除去装置１３の出口のＢＦＧの温度［℃］を示し、ｅ（Ｔ）は、温度Ｔにおける飽和水蒸気圧［ｈＰａ］を示す。ここで、飽和水蒸気圧ｅ（ｔ）は、温度Ｔで規定される公知の関数から求めることができる。

上記式（８）おける温度Ｔとしては、除去装置１３から排出された調整ＢＦＧの温度を用いることができる。上記式（８）おける温度Ｔの測定方法は、任意であり、例えば、温度計を用いて測定することができる。

ステップＳ１０４の処理では、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧの成分及び流量を求める。除去装置１３から排出される調整ＢＦＧの流量は、ステップＳ１０１で求めたＣＯ_２及びＨ_２Ｏ以外のＢＦＧ中の各成分（例えば、ＣＯ、Ｈ_２、Ｎ_２、Ｏ_２及びＳｉＯ）のモル流量と、ステップＳ１０２で求めた調整ＢＦＧ中のＣＯ_２のモル流量と、ステップＳ１０３で設定した調整ＢＦＧ中のＨ_２Ｏのモル流量を合計するとともに、合計したモル流量［ｍｏｌ/ｍｉｎ］を流量［Ｎｍ^３／ｍｉｎ］に変換することで求めることができる。例えば、ステップＳ１０１で求めた各成分が、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２の５成分である場合、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧの流量は、下記式（９）に基づいて求めることができる。

上記式（９）において、ｖ_{ａｌｌ，ａ－ＢＦＧ}は、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧの流量［Ｎｍ^３／ｍｉｎ］を示し、ＣＯ_ＢＦＧは、除去装置１３に供給されるＢＦＧ中のＣＯのモル流量［ｍｏｌ／ｍｉｎ］を示し（ステップＳ１０１で求めたＣＯのモル流量を示し）、Ｈ_２ＢＦＧは、除去装置１３に供給されるＢＦＧ中のＨ_２のモル流量［ｍｏｌ／ｍｉｎ］を示し（ステップＳ１０１で求めたＨ_２のモル流量を示し）、Ｎ_２ＢＦＧは、除去装置１３に供給されるＢＦＧ中のＮ_２のモル流量［ｍｏｌ／ｍｉｎ］を示し（ステップＳ１０１で求めたＮ_２のモル流量を示し）、ＣＯ_{２ａ－ＢＦＧ}は、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧ中のＣＯ_２のモル流量［ｍｏｌ／ｍｉｎ］を示し（ステップＳ１０２で求めたＣＯ_２のモル流量を示し）、Ｈ_２Ｏ_{ａ－ＢＦＧ}は、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧ中のＨ_２Ｏのモル流量［ｍｏｌ／ｍｉｎ］（ステップＳ１０３で設定したＨ_２Ｏのモル流量）を示す。

ステップＳ１０５の処理では、ステップＳ１０４で求めた調整ＢＦＧの成分及び流量から、高炉数学モデルのガス吹込み条件として、羽口（シャフト羽口３及び／又は通常羽口２）から高炉１に吹き込まれる調整ＢＦＧの成分及び流量（以下、「調整ＢＦＧ流量」ともいう）を設定する。

ここで、ステップＳ１０５の処理で設定する成分及び調整ＢＦＧ流量は、調整ＢＦＧをシャフト羽口３と通常羽口２のいずれか一方の羽口から吹き込む高炉１が対象高炉である場合、その一方の羽口から吹き込まれる調整ＢＦＧの成分及び流量を指す。また、調整ＢＦＧをシャフト羽口３と通常羽口２の両方の羽口から吹き込む高炉１が対象高炉である場合、ステップＳ１０５の処理で設定する成分及び調整ＢＦＧ流量は、それぞれの羽口から吹き込まれる調整ＢＦＧの成分及び流量（つまり、シャフト羽口３から吹き込まれる調整ＢＦＧの成分及び流量と通常羽口２から吹き込まれる調整ＢＦＧの成分及び流量）を指す。それぞれの羽口から吹き込む調整ＢＦＧ量の配分は、対象高炉１の想定する操業緒元に応じて設定することができる。

なお、対象高炉１において、通常羽口２が複数設けられている場合、ステップＳ１０５で設定する成分及び調整ＢＦＧ流量は、各通常羽口２から吹き込まれる調整ＢＦＧの成分及び流量であってもよい。このような場合には、上述した条件を考慮して求めた調整ＢＦＧの流量を、通常羽口２の数で除した値を調整ＢＦＧ流量として設定できる。同様に、対象高炉１において、シャフト羽口３が複数設けられている場合、ステップＳ１０５で設定する調整ＢＦＧ流量は、各シャフト羽口３から吹き込まれる調整ＢＦＧの流量であってもよい。このような場合には、上述した条件を考慮して求めた調整ＢＦＧの流量を、シャフト羽口３の数で除した値を調整ＢＦＧ流量として設定できる。

本実施形態では、上述したステップＳ１０１～Ｓ１０５の処理により、高炉数学モデルに用いられるガス吹込み条件（シャフト羽口３及び／又は通常羽口２を介して吹き込まれる調整ＢＦＧの成分及び流量）を設定する。なお、本実施形態において、ステップＳ１０２の処理とステップＳ１０３の処理の順序は、特に限定されるものではなく、ステップＳ１０２の処理の後にステップＳ１０３の処理が行われてもよく、ステップＳ１０３の処理の後にステップＳ１０２の処理が行われてもよい。

本実施形態で設定したガス吹込み条件（シャフト羽口３及び／又は通常羽口２を介して吹き込まれる調整ＢＦＧの成分及び流量）は、対象高炉１を解析対象とする高炉数学モデルにおいて用いられる。ガス吹込み条件が用いられる高炉数学モデルは、高炉１の内部領域を分割して複数の小領域（計算格子）に区画し、各計算格子において、物質収支、運動量収支及びエネルギー収支の数式を解くことにより、高炉１内の温度分布、ガス濃度分布、鉱石の還元率分布等の炉内状態を解析する数学モデルである。高炉１の内部領域は、２次元方向（炉半径方向及び炉高方向）に分割されて小領域を形成してもよく、３次元方向（炉半径方向、炉高方向及び炉周方向）に分割されて小領域を形成していてもよい。高炉数学モデルは、例えば、非特許文献１に記載されているため詳細な説明は省略する。

高炉数学モデルにおいて、シャフト羽口３及び／又は通常羽口２を介して吹き込まれる調整ＢＦＧの入力条件には、本実施形態で設定する成分及び流量以外にも、例えば、ガスの温度がある。また、高炉数学モデルで用いる温度については、通常羽口２及び／又はシャフト羽口３から対象高炉１に吹き込まれる調整ＢＦＧの温度を考慮して適宜設定すればよく、調整ＢＦＧ用の加熱手段１２がある場合には、当該加熱手段１２による設定温度を用いればよい。なお、温度は、時間の経過によって変化するものであってもよく、時間経過によって変化しないものであってもよい。

ここで、対象高炉１に用いられる除去装置１３に、ＢＦＧの処理量に下限値がある場合において、除去装置１３に供給されるＢＦＧの供給量がこの下限値を下回る場合、除去装置１３は作動しないことがある。このため、対象高炉１に用いられる除去装置１３に、ＢＦＧの処理量に下限値がある場合、高炉数学モデルでは、この下限値を制約条件としておくことが好ましい。具体的には、高炉数学モデルにおいて、除去装置１３に供給されるＢＦＧの供給量が、除去装置１３のＢＦＧ処理量の下限値を下回っている場合、警告を表示する機能を備えておくことが好ましい。

また、対象高炉１に用いられる除去装置１３に、ＢＦＧの処理量に上限値がある場合において、除去装置１３に供給されるＢＦＧの供給量がこの上限値を上回る場合、超過分のＢＦＧは系外に排出（その後、焼却処理）されることがある。このため、対象高炉１に用いられる除去装置１３に、ＢＦＧの処理量に上限値がある場合、高炉数学モデルでは、この上限値を制約条件としておくことが好ましい。具体的には、高炉数学モデルにおいて、除去装置１３に供給されるＢＦＧの供給量が、除去装置１３のＢＦＧ処理量の上限値を上回っている場合、除去装置１３に供給されるＢＦＧの供給量を、除去装置１３のＢＦＧ処理量の上限値とする機能を備えておくことが好ましい。そのうえ、除去装置１３に供給されるＢＦＧの供給量と除去装置１３のＢＦＧ処理量の上限値との差を、系外排出量として計算する機能を備えることがより好ましい。

また、対象高炉１に用いられる除去装置１３に、調整ＢＦＧの排出量に下限値がある場合において、羽口（通常羽口２及び／又はシャフト羽口３）から吹き込む調整ＢＦＧの総量がこの下限値を下回っている場合、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧが、羽口から吹き込まれず、系外に排出（その後、焼却処理）されることがある。このため、対象高炉１に用いられる除去装置１３に、調整ＢＦＧ排出量の下限値がある場合、高炉数学モデルでは、この下限値を制約条件としておくことが好ましい。具体的には、高炉数学モデルにおいて、羽口から吹き込む調整ＢＦＧの総量が、除去装置１３の調整ＢＦＧ排出量の下限値を下回っている場合、除去装置１３の調整ＢＦＧ排出量の下限値と羽口から吹き込む調整ＢＦＧの総量との差を、系外排出量として計算する機能を備えることが好ましい。

また、対象高炉１に用いられる除去装置１３に、調整ＢＦＧの排出量に上限値がある場合において、羽口（通常羽口２及び／又はシャフト羽口３）から吹き込む調整ＢＦＧの総量はこの上限値以下となる。このため、対象高炉１に用いられる除去装置１３に、調整ＢＦＧ排出量の上限値がある場合、高炉数学モデルでは、この上限値を制約条件としておくことが好ましい。具体的には、高炉数学モデルにおいて、羽口から吹き込む調整ＢＦＧの総量が、除去装置１３の調整ＢＦＧ排出量の上限値を超える場合、警告を表示する機能を備えておくことが好ましい。

以上説明した本実施形態のガス吹込み条件の設定方法によれば、除去装置１３のＣＯ_２除去能力やＨ_２Ｏの除去能力を考慮したガス吹込み条件（シャフト羽口３及び／又は通常羽口２を介して吹き込まれる調整ＢＦＧの成分及び流量）を設定することができる。

ここで、本実施形態に係る対象高炉１は、図３に示すように、調整ＢＦＧをシャフト羽口３及び／又は通常羽口２から吹き込むことに加え、被加熱ガス（ＢＦＧ、Ｎ_２など）を支燃性ガス（例えば、酸素や空気）とともに燃料ガス（例えば、ＣＯＧや都市ガス）を用いて予熱ガスバーナー１５で予熱して生成した予熱ガスを、予熱羽口４から吹きこむ高炉１であってもよい。対象高炉がこのような高炉１である場合、本実施形態では、調整ＢＦＧ流量に加えて、予熱羽口４を介して対象高炉１に吹き込まれる予熱ガスの条件を設定してもよい。

次に、高炉数学モデルのガス吹込み条件として、予熱羽口４を介して対象高炉１に吹き込まれる予熱ガスの条件を設定する方法について、図５を用いて説明する。図５は、予熱羽口４を介して吹き込まれる予熱ガスの条件を設定する手順を示すフローチャートである。図５に示すように、本実施形態のガス吹込み条件の設定方法では、ステップＳ２０１～ステップＳ２０２の処理を行う。なお、予熱ガスの条件とは、流量［Ｎｍ^３／ｍｉｎ］、温度［℃］、及び組成からなる群から選択される少なくとも一つの条件を指す。

ステップＳ２０１の処理では、予熱ガスバーナー１５で生成される予熱ガスの条件を求める。予熱ガスバーナー１５で生成される予熱ガスの条件は、予熱ガスバーナー１５に供給される被加熱ガスと、予熱ガスバーナー１５に供給される支燃性ガス（例えば、酸素や空気）と、予熱ガスバーナー１５の燃料として用いられる燃料ガスの３種類のガスそれぞれの流量、温度、及び組成から求めることができる。

具体的な方法としては、被加熱ガスを予熱ガスバーナー１５で予熱する燃焼シミュレーションの結果から求める方法や、被加熱ガスを予熱ガスバーナー１５で予熱する燃焼試験結果から求める方法や、燃焼率、ヒートロス等を仮定した熱物質収支に基づいて求める方法が挙げられる。ここで、燃焼シミュレーションには、例えば、汎用の熱流体解析ソフトウェア（例えばANSYS Fluent, ANSYS CFXなど）を用いることができる。燃焼シミュレーションでは、対象高炉１で使用される予熱ガスバーナー１５の構造をモデルとして使用し、予熱ガスバーナー１５に供給される被加熱ガスと、予熱ガスバーナー１５に供給される支燃性ガス（例えば、酸素や空気）と、予熱ガスバーナー１５の燃料として用いられる燃料ガスのそれぞれのガスについて流量、温度、及び組成を入力することで、予熱ガスバーナー１５で生成される予熱ガスの条件を求めることができる。燃焼シミュレーションでは、その他にも、次元（三次元）、時間（定常）、乱流モデル／燃焼モデル／ふく射モデルの種類等を設定してもよい。

ステップＳ２０２の処理では、ステップＳ２０１で求めた予熱ガスの条件から、予熱羽口４を介して対象高炉１に吹き込まれる予熱ガスの条件（流量［Ｎｍ^３／ｍｉｎ］、温度［℃］、組成の少なくとも一つの条件）を設定する。予熱羽口４から対象高炉１に吹き込まれる予熱ガスの条件は、予熱ガスバーナー１５で生成された予熱ガスが予熱羽口４に到達するまでの間に、ステップＳ２０１で求めた条件に影響を与える条件を考慮して、ステップＳ２０１で求めたガス吹込み条件から設定することができる。

ステップＳ２０１で求めた予熱ガスの条件に影響を与える条件としては、予熱ガスバーナー１５で生成された予熱ガスが予熱羽口４に到達するまでの間に混合されるガスを挙げることができる。予熱ガスバーナー１５で生成された予熱ガスは、上述したように、予熱羽口４に到達するまでの間に、温度調整を目的として、低温のガス（例えば、ＢＦＧ）と混合されることがあるが、このような場合、予熱羽口４に吹き込まれる予熱ガスの流量、温度、及び組成は、予熱ガスバーナー１５で生成された予熱ガスの流量、温度、及び組成とは異なる。

このため、予熱ガスバーナー１５で生成された予熱ガスが予熱羽口４に到達するまでの間にガスと混合される場合、ステップＳ２０２で設定する予熱ガスのガス吹込み条件（流量）としては、ステップＳ２０１で求めたガス吹込み条件（流量）に、混合されるガスの流量を加えた値を設定できる。また、予熱ガスバーナー１５で生成された予熱ガスが予熱羽口４に到達するまでの間にガスと混合される場合、ステップＳ２０２で設定する予熱ガスのガス吹込み条件（温度）としては、予熱ガスバーナー１５で生成された予熱ガスにガスを混合した後の予熱ガスの温度を設定できる。また、予熱ガスバーナー１５で生成された予熱ガスが予熱羽口４に到達するまでの間にガスと混合される場合、ステップＳ２０２で設定する予熱ガスのガス吹込み条件（組成）としては、予熱ガスバーナー１５で生成された予熱ガスにガスを混合した後の予熱ガスの組成を設定できる。

一方、予熱ガスバーナー１５で生成された予熱ガスが予熱羽口４に到達するまでの間に、ステップＳ２０１で求めた条件に影響を与える条件が無い場合や、影響を与える条件があったとしてもその影響が小さい場合には、ステップＳ２０１で求めたガス吹込み条件を、予熱羽口４を介して対象高炉１に吹き込まれる予熱ガスのガス吹込み条件として設定することができる。

ステップＳ２０１～Ｓ２０２の処理を含む本実施形態のガス吹込み条件の設定方法によれば、予熱ガスバーナー１５で使用される燃料ガス及び支燃性ガスの影響を考慮した予熱ガスのガス吹込み条件を設定することができる。

なお、図４及び図５で説明した処理（いわゆる機能）は、プログラムによって実現可能である。具体的には、各機能を実現するために予め用意されたコンピュータプログラムを補助記憶装置に格納しておき、ＣＰＵ等の制御部が補助記憶装置に格納されたプログラムを主記憶装置に読み出し、主記憶装置に読み出されたプログラムを制御部が実行することにより、各機能を動作させることができる。各機能は、１つの制御装置で動作させることもできるし、互いに接続された複数の制御装置によって動作させることもできる。

上記プログラムは、コンピュータで読取可能な記録媒体に記録された状態において、コンピュータに提供することも可能である。記録媒体としては、ＣＤ－ＲＯＭ等の光ディスク、ＤＶＤ－ＲＯＭ等の相変化型光ディスク、ＭＯ（Magnet Optical）やＭＤ(Mini Disk)などの光磁気ディスク、フロッピー（登録商標）ディスクやリムーバブルハードディスクなどの磁気ディスク、コンパクトフラッシュ（登録商標）、スマートメディア、ＳＤメモリカード、メモリスティック等のメモリカードが挙げられる。また、本発明の目的のために特別に設計されて構成された集積回路（ＩＣチップ等）等のハードウェア装置も記録媒体として含まれる。

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

図１に示すように、通常羽口２及びシャフト羽口３が設けられる試験高炉１を用意した。この試験高炉１を用いて、下記表１に示す操業諸元で、所定期間ベース操業を行った。なお、ベース操業は、通常羽口２から酸素富化空気及び微粉炭を吹き込む操業であり、通常羽口２やシャフト羽口３からは調整ＢＦＧやＣＯＧが吹き込まれていない。

［表１］

このベース操業を前提として、炉頂から排出されるＢＦＧを除去装置１３に供給するとともに、除去装置１３で生成した調整ＢＦＧを通常羽口２及びシャフト羽口３から吹き込む操業（以下、「調整ＢＦＧ吹込み操業」ともいう）について解析を行った。通常羽口２には、調整ＢＦＧに加えてＣＯＧを吹き込むとともに、通常羽口２から吹き込んでいた酸素富化空気における酸素富化率を７％から約２６％に変更することとした。

調整ＢＦＧ吹込み操業について、炉頂から排出されるＢＦＧの流量、及び、ＢＦＧに含まれる各成分の体積比率を得た。得られた流量及び体積比率を用いて、上記式（１）～（５）から、ＢＦＧに含まれる各成分のモル流量を求めた。

次に、上記式（２）で求めたＣＯ_２のモル流量ＣＯ_２ＢＦＧを用いて、上記式（６）から、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧ中のＣＯ_２のモル流量ＣＯ_{２ａ-ＢＦＧ}を求めた。なお、上記式（６）における除去率Ｒ_ＣＯ２としては、試験高炉１で使用した除去装置１３のＣＯ_２除去能力に応じた値を用いた。

次に、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧの温度、及び、除去装置１３から調整ＢＦＧを排出する際に加えられる送風圧力を用いて、上記式（８）から、除去装置１３の出口のＢＦＧの温度及び圧力における飽和水蒸気量Ｃ_{Ｈ２Ｏ，ａ－ＢＦＧ}を求めた。さらに、求めた飽和水蒸気量Ｃ_{Ｈ２Ｏ，ａ－ＢＦＧ}を用いて、上記式（７）から、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧ中のＨ_２Ｏのモル流量Ｐ_Ｈ２Ｏを求めた。

次に、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏ以外のＢＦＧの各成分のモル流量（上記式（１），（３），（５）で求めたモル流量）と、除去装置１３から排出された調整ＢＦＧ中のＣＯ_２のモル流量（上記式（６）から求めたモル流量）ＣＯ_{２ａ-ＢＦＧ}と、除去装置１３から排出された調整ＢＦＧ中のＨ_２Ｏのモル流量（上記式（７）から求めたモル流量）Ｐ_Ｈ２Ｏを用いて、上記式（９）から、除去装置１３から排出される調整ＢＦＧの成分及び流量ｖ_{ａｌｌ，ａ－ＢＦＧ}を求めた。

設定した調整ＢＦＧの成分及び調整ＢＦＧ流量を用いて、試験高炉１を解析対象とした高炉数学モデルによる解析を行った。高炉数学モデルとしては、非特許文献１に記載の高炉数学モデルを使用した。なお、高炉数学モデルで使用した計算格子は、高炉１の内部領域を２次元方向（炉半径方向及び炉高方向）に分割することで形成した。高炉数学モデルでの解析において、出銑量は試験高炉１の設計出銑量である３４ｔ／ｄとした。また、出銑温度は過去の実績に合わせ１４８０℃とした。通常羽口２を介して対象高炉１に吹き込むＣＯＧ組成については、下記表２に示す組成を使用した。計算格子は、炉高方向に６０個とし、炉半径方向に６個とし、時間刻みの初期値は５ｓとした。装入物分布は３バッチ装入を使用した。焼結鉱、コークスの平均粒度は、それぞれ１３ｍｍ、２７ｍｍとした。通常羽口２及びシャフト羽口３から対象高炉１に吹き込まれる調整ＢＦＧの組成は、下記表３に示すＢＦＧの組成（ｍｏｌ％）から計算して求めた下記表４の組成（ｍｏｌ％）を用いた。また、調整ＢＦＧとＣＯＧの温度及び流量には、下記表５に示す温度及び流量を使用した。なお、下記表５において、調整ＢＦＧの流量は、解析に先立って設定した調整ＢＦＧ流量を、製造される銑鉄１ｔ当たりの流量に変換した値である。

［表２］

［表３］

［表４］

［表５］

ベース操業条件下における解析結果（温度分布、Ｈ_２濃度分布、Ｎ_２濃度分布、還元率分布）を図６に示す。調整ＢＦＧ吹込み操業条件下における解析結果（温度分布、Ｈ_２濃度分布、Ｎ_２濃度分布、還元率分布）を図７に示す。

図６及び図７に示すように、調整ＢＦＧ吹込み操業条件下における解析結果では、ベース操業条件下における解析結果と比較してＮ_２濃度が低下しており、高酸素富化に伴うＮ_２濃度の低下を確認することができた。また、調整ＢＦＧ吹込み操業条件下における解析結果では、ベース操業条件下における解析結果と比較してＨ_２濃度が上昇しており、調整ＢＦＧやＣＯＧの吹き込みに伴うＨ_２ガス濃度の上昇を確認することができた。この結果から、本実施形態のガス吹込み条件の設定方法によれば、除去装置１３のＣＯ_２除去能力やＨ_２Ｏの除去能力を考慮した、高炉数学モデルのガス吹込み条件（シャフト羽口３及び／又は通常羽口２から吹き込まれる調整ＢＦＧの成分及び流量）を設定できることが理解できた。

１：高炉、２：通常羽口、３：シャフト羽口、４：予熱羽口、１１：熱風炉、
１２：加熱手段、１３，１３Ａ，１３Ｂ：除去装置、１４：ガス供給手段、
１５：予熱ガスバーナー

Claims

高炉の炉頂から排出される炉頂排ガスを、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２を除去する除去装置に供給し、前記炉頂排ガスからＨ_２Ｏ及びＣＯ_２の少なくとも一部を除去して生成した調整炉頂排ガスを、シャフト羽口と通常羽口の少なくとも一方の羽口を介して吹き込む高炉を対象として解析を行う、物質収支、運動量収支、及びエネルギー収支を考慮した高炉数学モデルのガス吹込み条件の設定方法であって、
前記除去装置に供給される前記炉頂排ガスの各成分のモル流量を求める第１工程と、
前記第１工程で求めた前記炉頂排ガス中のＣＯ_２のモル流量と、前記除去装置のＣＯ_２除去率から、前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガス中のＣＯ_２のモル流量を求める第２工程と、
前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量を、前記第１工程で求めた前記炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量よりも低い値に設定する第３工程と、
前記第１工程で求めたＣＯ_２及びＨ_２Ｏ以外の前記炉頂排ガスの各成分のモル流量と、前記第２工程で求めた前記調整炉頂排ガス中のＣＯ_２のモル流量と、前記第３工程で設定した前記調整炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量から、前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガスの成分及び流量を求める第４工程と、
前記第４工程で求めた前記調整炉頂排ガスの成分及び流量から、前記高炉数学モデルのガス吹込み条件として、前記羽口から前記高炉に吹き込まれる前記調整炉頂排ガスの成分及び流量を設定する第５工程と、
を有することを特徴とするガス吹込み条件の設定方法。
前記除去装置は、ＣＯ_２を除去するＣＯ_２除去装置と、前記ＣＯ_２除去装置からの前記炉頂排ガスを昇圧して前記炉頂排ガス中のＨ_２Ｏを凝縮させて、前記炉頂排ガスからＨ_２Ｏの少なくとも一部を除去するブロワとを含み、
前記第３工程は、前記ブロワにより昇圧された前記炉頂排ガスの温度と圧力における飽和水蒸気量から求められる値を、前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量として設定することを特徴とする請求項１に記載のガス吹込み条件の設定方法。
前記第１工程は、前記除去装置に供給される前記炉頂排ガス中の各成分のモル流量として、所定期間の間に前記除去装置に供給される前記炉頂排ガスの各成分のモル流量の平均値を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス吹込み条件の設定方法。
前記高炉は、被加熱ガスを予熱ガスバーナーで予熱した予熱ガスを、予熱羽口から吹きこむ高炉であり、
前記ガス吹込み条件の設定方法は、さらに、
前記予熱ガスバーナーに供給される前記被加熱ガスの流量、温度、及び組成から、前記予熱ガスバーナーで生成される前記予熱ガスの流量、温度及び組成の少なくともいずれか一つの条件を求める第６工程と、
前記第６工程で求めた前記条件から、前記高炉数学モデルのガス吹込み条件として、前記予熱羽口から前記高炉に吹き込まれる前記予熱ガスの流量、温度及び組成の少なくともいずれか一つの条件を設定する第７工程と、
を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のガス吹込み条件の設定方法。
高炉の炉頂から排出される炉頂排ガスをＨ_２Ｏ及びＣＯ_２を除去する除去装置に供給し、前記炉頂排ガスからＨ_２Ｏ及びＣＯ_２の少なくとも一部を除去して生成した調整炉頂排ガスを、シャフト羽口と通常羽口の少なくとも一方の羽口を介して吹き込む高炉を対象として解析を行う、物質収支、運動量収支、及びエネルギー収支を考慮した高炉数学モデルのガス吹込み条件を設定するために、コンピュータに下記工程を実行させるプログラムであって、
前記除去装置に供給される前記炉頂排ガスの各成分のモル流量を求める第１工程と、
前記第１工程で求めた前記炉頂排ガス中のＣＯ_２のモル流量と、前記除去装置のＣＯ_２除去率から、前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガス中のＣＯ_２のモル流量を求める第２工程と、
前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量を、前記第１工程で求めた前記炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量よりも低い値に設定する第３工程と、
前記第１工程で求めたＣＯ_２及びＨ_２Ｏ以外の前記炉頂排ガスの各成分のモル流量と、前記第２工程で求めた前記調整炉頂排ガス中のＣＯ_２のモル流量と、前記第３工程で設定した前記調整炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量から、前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガスの成分及び流量を求める第４工程と、
前記第４工程で求めた前記調整炉頂排ガスの成分及び流量から、前記高炉数学モデルのガス吹込み条件として、前記羽口から前記高炉に吹き込まれる前記調整炉頂排ガスの成分及び流量を設定する第５工程と、
を有することを特徴とするガス吹込み条件の設定方法のプログラム。
前記除去装置は、ＣＯ_２を除去するＣＯ_２除去装置と、前記ＣＯ_２除去装置からの前記炉頂排ガスを昇圧して前記炉頂排ガス中のＨ_２Ｏを凝縮させて、前記炉頂排ガスからＨ_２Ｏの少なくとも一部を除去するブロワとを含み、
前記第３工程は、前記ブロワにより昇圧された前記炉頂排ガスの温度と圧力における飽和水蒸気量から求められる値を、前記除去装置から排出される前記調整炉頂排ガス中のＨ_２Ｏのモル流量として設定することを特徴とする請求項５に記載のガス吹込み条件の設定方法のプログラム。
前記第１工程は、前記除去装置に供給される前記炉頂排ガス中の各成分のモル流量として、所定期間の間に前記除去装置に供給される前記炉頂排ガスの各成分のモル流量の平均値を求めることを特徴とする請求項５又は６に記載のガス吹込み条件の設定方法のプログラム。
前記高炉は、被加熱ガスを予熱ガスバーナーで予熱した予熱ガスを、予熱羽口から吹きこむ高炉であり、
さらに、
前記予熱ガスバーナーに供給される前記被加熱ガスの流量、温度、及び組成から、前記予熱ガスバーナーで生成される前記予熱ガスの流量、温度及び組成の少なくともいずれか一つの条件を求める第６工程と、
前記第６工程で求めた前記条件から、前記高炉数学モデルのガス吹込み条件として、前記予熱羽口から前記高炉に吹き込まれる前記予熱ガスの流量、温度及び組成の少なくともいずれか一つの条件を設定する第７工程と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする請求項５から７のいずれか一つに記載のガス吹込み条件の設定方法のプログラム。