JP7297091B2 - 高炉の操業方法 - Google Patents
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Description
本願は、2019年11月29日に日本に出願された特願2019-216568号及び2020年5月27日に日本に出願された特願2020-092467号に基づき優先権を主張し、それらの内容をここに援用する。
Input △C=(A-B)/A×100(%)
炭素消費原単位の削減割合Input △Cが大きいほど、還元材比も削減され、ひいては、CO2排出量が削減される。
本発明者は、上記の課題を解決するため、還元ガスとして高濃度水素含有ガスに着目した。ここで、本実施形態における高濃度水素含有ガスとは、水素ガスを80mol%(高濃度水素含有ガスを構成するすべてのガスの総物質量に対する水素ガスのmol%)以上含有するガスを意味する。純水素ガス(水素ガス濃度が100mol%となるガス)は高濃度水素含有ガスに含まれる。
つまり、高濃度水素含有ガスの吹込み温度が600℃以下の場合、炭素消費原単位の削減割合Input △Cは、高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量の増加に伴って単純に増加するものではなく、当該吹込み量がある程度増加すると緩和し減少に転じる。そして、炭素消費原単位の削減割合Input △Cが緩和し減少に転じる際の高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量は高濃度水素含有ガスの吹込み温度によって異なる。一方で、高濃度水素含有ガスの吹込み温度が600℃超となる場合、炭素消費原単位の削減割合Input △Cは、吹込み量の増加に伴って増加する傾向がある。高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量がある程度大きくなると、炭素消費原単位の削減割合Input △Cが例えば7%以上となる。したがって、この適正範囲の水素ガスの吹込み量に従って決定される高濃度水素含有ガスの吹込み量を高炉に吹き込むことで、CO2排出量を大きく削減することができる。例えば、後述する実施例に示される通り、高炉の操業時の炭素消費原単位の削減割合Input △Cを7%以上とすることができ、ひいてはCO2排出量を大きく削減することができる。本発明者は、このような知見に基づいて本実施形態に係る高炉の操業方法に想到した。以下、本実施形態について詳細に説明する。
本実施形態に係る高炉の操業方法では、高濃度水素含有ガスを羽口から吹き込む。そこで、まず、高濃度水素含有ガスの組成について説明する。高濃度水素含有ガスは、上述したように水素ガスを80mol%以上含有するガスである。高濃度水素含有ガスには純水素ガスが含まれる。高濃度水素含有ガスには、水素ガス以外の他のガス、例えば上述した炭素含有還元ガス(例えば炭化水素ガス)、COガス、CO2ガス、H2Oガス、N2ガス等を含んでいてもよい。ただし、他のガスの濃度は合計で20mol%未満となる。
つぎに、本実施形態に係る高炉の操業方法について説明する。本実施形態に係る高炉の操業方法では、まず、高濃度水素含有ガスの吹込み温度を常温以上の範囲内で決定する。
なお、高濃度水素含有ガスの吹込み温度が350℃の場合、高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量が600Nm3/tを超えると、羽口先温度Tfを2200℃に維持することが困難になることがある。従来の高炉操業では、羽口前温度Tfは2200℃程度とされることが多く、羽口前温度Tfが2200℃に維持することが困難である場合、従来の高炉操業の操業条件と大きく操業条件を変更することになる。
(4-1.変形例1)
以下、高炉の操業方法の各種変形例を説明する。変形例1では、羽口前温度Tfを2050℃以下に維持する。ここで、羽口前温度Tfは、羽口の炉内側先端部における炉内温度であり、羽口先温度Tfとも称される。実際の操業では、羽口前温度Tfは、重見彰利著「製銑ハンドブック」(地人書館)に記載されたラムの式に従って羽口先理論燃焼温度として算出される。
変形例2では、羽口前温度Tfを2050℃超2150℃以下に維持する。変形例1によれば、羽口前温度Tfを2050℃以下とすることで炭素消費原単位の削減割合Input △Cを大きくすることができる。一方で、羽口前温度Tfが低下すると、微粉炭の燃焼率が低下する可能性がある。つまり、羽口前温度Tfが低下すると、微粉炭が燃焼しにくくなる。微粉炭が難燃性である場合や、微粉炭比を高めて操業を行う場合、微粉炭の燃焼率が低下する可能性がより高まる。微粉炭の燃焼率が低下すると、炉内温度が低下するので、その分だけ還元材比を高めた操業を行う必要が生じうる。このような観点から、変形例2では、羽口前温度Tfを2050℃超2150℃以下に維持する。これにより、微粉炭の燃焼率を維持し、ひいては、炉内温度の低下を抑制することができる。
変形例3では、羽口前温度Tfを2150℃超に維持する。従来の高炉操業では、羽口前温度Tfは2200℃程度とされることが多い。したがって、羽口前温度Tfを2150℃超とすることで、従来の高炉操業と大きく操業条件を変えずに操業を行うことができる。なお、羽口設備保護等の観点から、羽口前温度Tfは2250℃以下が好ましい。
図2~図10に示されるように、高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量と炭素消費原単位の削減割合Input △Cとの間には一定の相関がある。そこで、変形例4では、高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量と炭素消費原単位の削減割合Input △Cとの相関である吹込み量-炭素消費原単位削減割合相関を予め求める。
図12は、単位Nm3/tでの常温の純水素ガスの吹込み量と高濃度水素含有ガスを吹き込まない操業であるベース操業に対する単位kPaでの圧力損失の変化量との相関を羽口前温度Tf毎に示すグラフである。このグラフは高炉操業シミュレーションによって得られるものである。詳細は実施例で説明する。ここで、圧力損失は、羽口先(羽口前)での圧力、言い換えると羽口の出口における炉内圧力と炉頂での圧力との差であり、送風機から羽口先への配管圧損を除いた値をいう。実際の操業では、圧力損失は炉壁部に設置された圧力計によって測定される。ベース操業に対する圧力損失の変化量は、ある操業時の圧力損失からベース操業時の圧力損失を減算した値である。圧力損失は、送風圧力の制約や吹き抜け防止等の観点からベース操業と同程度、あるいはベース操業より低い値となることが好ましい。図12は常温の純水素ガスを用いた場合の上記相関を示すが、純水素ガス以外の高濃度水素含有ガスを用いた場合にも上記相関が得られる。また、高濃度水素含有ガスの吹込み温度が常温より大きくても上記相関が得られる。
図13は、常温の単位Nm3/tでの純水素ガスの吹込み量と単位℃でのベース操業に対する炉頂ガス温度の変化量との相関を羽口前温度Tf毎に示すグラフである。このグラフは高炉操業シミュレーションによって得られるものである。詳細は実施例で説明する。ここで、炉頂ガス温度は、高炉の炉頂から排出される炉頂ガス(主にCO2、N2、未反応のCO等)の温度であり、実際の操業では、上昇管等に設置された温度計によって測定される。ベース操業に対する炉頂ガス温度の変化量は、ある操業時の炉頂ガス温度からベース操業時の炉頂ガス温度を減算した値である。炉頂ガス温度は、炉頂設備の制約や操業効率化の観点からベース操業と同程度であることが好ましく、一例としてベース操業の炉頂ガス温度±20℃程度の範囲内であることが好ましい。図13は常温の純水素ガスを用いた場合の上記相関を示すが、純水素ガス以外の高濃度水素含有ガスを用いた場合にも上記相関が得られる。また、高濃度水素含有ガスの吹込み温度が常温より大きくても上記相関が得られる。
上述したように、高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量と炭素消費原単位の削減割合Input △Cとの相関は600℃の吹込み温度を境界として異なる挙動を示す。そこで、実施例1では、高濃度水素含有ガスの吹込み温度が600℃以下となる場合の検証を行った。
高炉操業シミュレーションには、Kouji TAKATANI、Takanobu INADA、Yutaka UJISAWA、「Three-dimensional Dynamic Simulator for Blast Furnace」、ISIJ International、Vol.39(1999)、No.1、p.15-22などに示される、所謂「高炉数学モデル」を用いた。この高炉数学モデルは、概略的には、高炉の内部領域を高さ方向、径方向、周方向に分割することで複数のメッシュ(小領域)を規定し、各メッシュの挙動をシミュレーションするものである。
実施例1-1では、高濃度水素含有ガスの吹込み温度が600℃以下の条件で、高濃度水素含有ガスを純水素ガスとして、純水素ガスの吹込み量と炭素消費原単位の削減割合Input △Cとの相関を計算した。結果を図2~図5に示す。
実施例1-2では、高濃度水素含有ガスに水素ガス以外のガスが含まれていても純水素ガスの場合と同様の操業が可能であることを確認した。具体的には、高濃度水素含有ガスとして80mol%の水素ガス及び20mol%の窒素ガスで構成される80mol%H2-20mol%N2ガスを想定した。そして、吹込み温度を25℃、羽口前温度Tfを2100℃として実施例1と同様に高炉操業シミュレーションを行った。結果を図11に示す。図11は、純水素ガス(100mol%H2ガス)の計算結果と80mol%H2-20mol%N2ガスの計算結果とを対比して示す。なお、図11の横軸は、混合ガスの流量を純水素ガスに換算したものであり、すなわち、80mol%H2-20mol%N2ガスの流量に80mol%を乗じた値である。図11から明らかな通り、80mol%H2-20mol%N2ガスについても、純水素ガスに換算した吹込み量の適正範囲は純水素ガスの場合と変わらず、効果代のみ若干低下していることがわかった。したがって、高濃度水素含有ガスに水素ガス以外のガスが含まれていても純水素ガスの場合と同様の操業が可能であることがわかった。また、効果は若干落ちるものの、炭素消費原単位の削減割合Input △Cも大きくできることがわかった。
実施例1-3では、高濃度水素含有ガスとして常温の純水素ガスを使用し、何点かの吹込み量のそれぞれに対する圧力損失の変化量(ベース操業に対する圧力損失の変化量)を求めた。その結果を図12に示す。図12から明らかな通り、純水素ガスの吹込み量と圧力損失の変化量との間には一定の相関があることがわかった。例えば、羽口前温度Tfが低い場合、ベース操業に対して圧力損失が大きくなる可能性があることがわかった。ただし、純水素ガスの吹込み量が増加すると圧力損失が減少した。より具体的には、羽口前温度Tfが2000℃となり、かつ吹込み量が100~150Nm3/tとなった場合、圧力損失がベース操業と比べて10~20kPa程度上昇した。これは、上述した所定範囲外の値であった。ただし、吹込み量が200以上Nm3/tまで上昇すると、圧力損失がベース操業の値と同程度またはそれ以下となった。このような現象が生じる理由は上述した通りである。したがって、吹込み温度が所定値であるときの、高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量とベース操業に対する圧力損失の変化量との相関である吹込み量-圧力損失変化量相関を羽口前温度Tf毎に予め求めておき、現状の操業よりも炭素消費量が低減し、かつ、圧力損失の変化量が所定範囲内の値となる高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量を当該吹込み量-炭素消費パラメータ相関及び吹込み量-圧力損失変化量相関に基づいて決定することで、圧力損失の増大を抑制することができ、安定した操業を行いながら炭素消費原単位の削減割合Input △Cを大きくすることができることがわかった。
そして、高濃度水素含有ガスとして常温の純水素ガスを使用し、その吹込み量が200Nm3/t以上500Nm3/t以下の条件では、図12に示すように、圧力損失の増大を抑制でき、安定した操業を行いながら炭素消費原単位の削減割合Input △Cを大きくすることができることがわかった。常温以上300℃以下の純水素ガスであれば、その吹込み量が200Nm3/tまで上昇すると、圧力損失がベース操業の値と同程度またはそれ以下となることがわかった。同様に、300℃超600℃以下の純水素の吹込み量が145Nm3/t以上の場合、600℃超900℃以下の純水素の吹込み量が125Nm3/t以上の場合、900℃超1200℃以下の純水素の吹込み量が110Nm3/t以上の場合、および、1200℃超の純水素の吹込み量が100Nm3/t以上の場合でも、圧力損失の増大を抑制でき、安定した操業を行いながら炭素消費原単位の削減割合Input △Cを大きくすることができることがわかった。
実施例1-4では、高濃度水素含有ガスとして常温の純水素ガスを使用し、何点かの吹込み量のそれぞれに対する炉頂ガス温度の変化量(ベース操業に対する炉頂ガス温度の変化量)を求めた。その結果を図13に示す。図13から明らかな通り、純水素ガスの吹込み量と炉頂ガス温度の変化量との間には一定の相関があることがわかった。例えば、羽口前温度Tfが上昇すると、ベース操業に比べて炉頂ガス温度が低下した。具体的には、羽口前温度Tfが2100℃となり、かつ吹込み量が250~300Nm3/tとなる場合、炉頂ガス温度の変化量が上述した所定範囲外の値となった。ただし、吹込み量が200Nm3/tまで減少すれば、炉頂ガス温度の変化量が所定範囲内の値となった。このような現象が生じる理由は上述した通りである。よって、操業の効率性等を重視する場合には、純水素ガスの吹込み量と炉頂ガス温度の変化量との間の相関を考慮して、吹込み量を調整すればよい。したがって、吹込み温度が所定値であるときの、高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量とベース操業に対する炉頂ガス温度の変化量との相関である吹込み量-炉頂ガス温度変化量相関を羽口前温度毎に予め求めておき、現状の操業よりも炭素消費量が低減し、かつ、炉頂ガス温度の変化量が所定範囲内の値となる高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量を吹込み量-炭素消費パラメータ相関及び吹込み量-炉頂ガス温度変化量相関に基づいて決定することで、操業の効率性の低下を抑制することができることが分かった。
実施例2では、高濃度水素含有ガスの吹込み温度が600℃超となる場合の検証を行った。
高炉操業シミュレーションには、実施例1と同様の高炉数学モデルを用いた。計算条件を表3に示す。表3に示す通り、計算条件は実施例1とほぼ同様であるが、コークス比は実施例1と異なる条件とした。すなわち、実施例2では、コークス比は微粉炭吹込み量が0ton/hより大きい場合には300kg/tで一定とし、微粉炭吹込み量が0ton/hとなる場合(すなわち、微粉炭比が0となる場合)には変動させることとした。つまり、微粉炭吹込み量が0ton/hとなる場合、コークス比によって炉温を調整した。
実施例2-1では、高濃度水素含有ガスを純水素ガスとして、純水素ガスの吹込み量と炭素消費原単位の削減割合Input △Cとの相関を計算した。結果を図6~図10に示す。
純水素ガスの吹込み温度を900℃として実施例1-3、1-4と同様の試験を行った。この結果、純水素ガスの吹込み温度が900℃となる場合にも、純水素ガスの吹込み量と圧力損失の変化量または炉頂ガス温度の変化量との間に一定の相関があることが確認できた。
Claims (13)
- 水素ガスを80mol%以上含有する高濃度水素含有ガスを、
前記高濃度水素含有ガスの吹込み温度が常温以上300℃以下であり、かつ、前記高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量が200Nm3/t以上500Nm3/t以下である条件、
前記高濃度水素含有ガスの吹込み温度が300℃超600℃以下であり、かつ、前記高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量が145Nm3/t以上である条件、
前記高濃度水素含有ガスの吹込み温度が600℃超900℃以下であり、かつ、前記高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量が125Nm3/t以上である条件、
前記高濃度水素含有ガスの吹込み温度が900℃超1200℃以下であり、かつ、前記高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量が110Nm3/t以上である条件、または、
前記高濃度水素含有ガスの吹込み温度が1200℃超であり、かつ、前記高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量が100Nm3/t以上である条件で、
羽口から吹き込むことを特徴とする、高炉の操業方法。 - 前記吹込み温度が常温以上300℃以下であり、かつ、前記高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量が200Nm3/t以上300Nm3/t以下であることを特徴とする、請求項1に記載の高炉の操業方法。
- 前記高濃度水素含有ガスの吹込み温度が300℃超600℃以下であり、かつ、前記高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量が145Nm3/t以上600Nm3/t以下であることを特徴とする、請求項1に記載の高炉の操業方法。
- 羽口前温度を2050℃以下とすることを特徴とする、請求項1~3の何れか1項に記載の高炉の操業方法。
- 羽口前温度を2050℃超2150℃以下とすることを特徴とする、請求項1~3の何れか1項に記載の高炉の操業方法。
- 羽口前温度を2150℃超2250℃以下とすることを特徴とする、請求項1~3の何れか1項に記載の高炉の操業方法。
- 前記高濃度水素含有ガスの吹込み温度が600℃超1400℃以下であることを特徴とする、請求項1に記載の高炉の操業方法。
- 前記高濃度水素含有ガスの吹込み温度が600℃超となる場合、前記高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量を1000Nm3/t以下とすることを特徴とする、請求項1または7に記載の高炉の操業方法。
- 前記高濃度水素含有ガスの吹込み温度が600℃超であり、かつ、前記高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量が400Nm3/t以上となる場合、羽口前温度を2050℃以下とすることを特徴とする、請求項1、7、または8に記載の高炉の操業方法。
- 水素ガスを80mol%以上含有する高濃度水素含有ガスの吹込み温度が所定値であるときの、前記高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量と炭素消費量に関する炭素消費パラメータとの相関である吹込み量-炭素消費パラメータ相関を羽口前温度毎に予め求めておき、
現状の操業よりも前記炭素消費量が低減する前記高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量を前記吹込み量-炭素消費パラメータ相関に基づいて決定し、
前記高濃度水素含有ガスを当該決定された吹込み量で前記羽口から吹き込むことを特徴とする、高炉の操業方法。 - 前記吹込み量-炭素消費パラメータ相関を前記吹込み温度毎に求めることを特徴とする、請求項10に記載の高炉の操業方法。
- 前記吹込み温度が所定値であるときの、前記高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量とベース操業に対する圧力損失の変化量との相関である吹込み量-圧力損失変化量相関を羽口前温度毎に予め求めておき、
現状の操業よりも前記炭素消費量が低減し、かつ、前記圧力損失の変化量が所定範囲内の値となる前記高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量を前記吹込み量-炭素消費パラメータ相関及び前記吹込み量-圧力損失変化量相関に基づいて決定することを特徴とする、請求項10または11に記載の高炉の操業方法。 - 前記吹込み温度が所定値であるときの、前記高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量とベース操業に対する炉頂ガス温度の変化量との相関である吹込み量-炉頂ガス温度変化量相関を羽口前温度毎に予め求めておき、
現状の操業よりも前記炭素消費量が低減し、かつ、前記炉頂ガス温度の変化量が所定範囲内の値となる前記高濃度水素含有ガス中の水素ガスの吹込み量を前記吹込み量-炭素消費パラメータ相関及び前記吹込み量-炉頂ガス温度変化量相関に基づいて決定することを特徴とする、請求項10~12の何れか1項に記載の高炉の操業方法。
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