JP7375980B1 - 高炉の操業方法、溶銑の製造方法及び高炉付帯設備 - Google Patents

Abstract

安定した操業の下、高炉からの二酸化炭素の排出量をより一層削減することができる高炉の操業方法を提供する。高炉内への吹込み還元材に再生有機物を含有させ、再生有機物を、高炉から排出される高炉ガス中の一酸化炭素及び二酸化炭素のうちの少なくとも一方と、水素とを用いて生成され、かつ、発熱量Ｑが４０００ｋＪ／ｋｇ以上のものとする。

Description

本開示は、高炉の操業方法、溶銑の製造方法及び高炉付帯設備に関する。

近年、地球環境問題を背景として、二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量削減が強く求められている。そのため、製鉄所内に設けられた高炉の操業においても、低還元材比（低ＲＡＲ）操業を行うことが求められている。

一般的な高炉では、羽口から送風ガスとして熱風（１２００℃程度に加熱した空気）を高炉内に吹込む。これにより、熱風中の酸素と、還元材となるコークス及び微粉炭とが反応して、気体状の一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ_２）が生成する。これらの一酸化炭素や水素によって、高炉内に装入した鉄鉱石が還元される。また、この鉄鉱石の還元反応において、二酸化炭素が発生する。

このような高炉の操業における二酸化炭素の排出量削減技術として、以下のような技術が提案されている。すなわち、高炉から排出される副生ガス（以下、高炉ガスともいう）に含まれる一酸化炭素や二酸化炭素を改質して、メタンやエタノールなどの化合物を生成する。そして、これらの化合物を、再度、高炉に還元材として導入する。

例えば、特許文献１には、
「ＣＯ_２及び／又はＣＯを含む混合ガスからＣＯ_２及び／又はＣＯを分離回収する工程（Ａ）と、該工程（Ａ）で分離回収されたＣＯ_２及び／又はＣＯに水素を添加し、ＣＯ_２及び／又はＣＯをＣＨ_４に変換する工程（Ｂ）と、該工程（Ｂ）を経たガスからＨ_２Ｏを分離除去する工程（Ｃ）と、該工程（Ｃ）を経たガスを高炉内に吹き込む工程（Ｄ）を有することを特徴とする高炉の操業方法。」が開示されている。

また、特許文献２には、
「高炉ガスを燃料の一部または全部として使用する燃焼炉の排ガスからＣＯ_２を分離し、分離したＣＯ_２をメタンに改質して得られた還元ガスを高炉に吹込むことを特徴とする高炉操業方法。」が開示されている。

特開２０１１－２２５９６９号公報 特開２０１４－００５５１０号公報

しかしながら、特許文献１及び２の技術では、還元材として高炉に吹込むメタンの量が一定以上になると、高炉下部の着熱不足や圧損上昇、出滓不良などの操業トラブルを引き起こす場合がある。そのため、安定した操業を行うためにはメタンの吹込み量を制限する必要があり、二酸化炭素の排出量削減効果が制限される。

本開示は、上記の現状に鑑み開発されたもので、安定した操業の下、高炉からの二酸化炭素の排出量をより一層削減することができる高炉の操業方法を提供することを目的とする。
また、本開示は、上記の高炉の操業方法を用いた溶銑の製造方法、及び、上記の高炉の操業方法に用いる高炉付帯設備を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意検討を重ねた。その結果、高炉ガスに含有される一酸化炭素や二酸化炭素と水素とを用いて燃焼時の発熱量の大きな再生有機物を合成し、その再生有機物を吹込み還元材として用いることにより、二酸化炭素の排出量を大きく削減できることを見出した。本開示は、上記の知見に基づいてなされたものであり、要旨は以下の通りである。

［１］高炉の操業方法であって、
前記高炉の操業方法は、前記高炉の羽口から前記高炉内に送風ガス及び吹込み還元材を吹込む工程を有し、
前記吹込み還元材は、再生有機物を含み、
前記再生有機物は、前記高炉から排出される副生ガスである高炉ガス中の一酸化炭素及び二酸化炭素のうちの少なくとも一方と、水素とを用いて生成されるものであり、
かつ、
前記再生有機物は、燃焼反応によりＣＯとＨ_２とに変化するときの発熱量Ｑが４０００ｋＪ／ｋｇ以上である、高炉の操業方法。

［２］前記再生有機物における炭素原子の質量比率ｘ_Ｃと前記再生有機物における水素原子の質量比率ｘ_Ｈとの合計であるｘ_Ｃ＋ｘ_Ｈが９０ｗｔ％以上である、前記［１］に記載の高炉の操業方法。

［３］前記再生有機物における炭素原子の質量比率ｘ_Ｃが８５ｗｔ％以上である、前記［１］又は［２］に記載の高炉の操業方法。

［４］前記再生有機物が、エチレン、プロピレン、固体炭素、エタン、プロパン及びフェノールからなる群から選ばれる少なくとも一種を含む、前記［１］～［３］のいずれかに記載の高炉の操業方法。

［５］前記再生有機物が、エチレン及びプロピレンの少なくとも一方を合計で９０ｗｔ％以上含む、前記［１］～［４］のいずれかに記載の高炉の操業方法。

［６］前記吹込み還元材が前記再生有機物を８０ｗｔ％以上含む、前記［１］～［５］のいずれかに記載の高炉の操業方法。

［７］前記高炉ガスの一部から前記再生有機物を生成し、前記高炉ガスの余剰分を製鉄所内又は外部に供給する、前記［１］～［６］のいずれかに記載の高炉の操業方法。

［８］前記再生有機物の余剰分を製鉄所内又は外部に供給する、前記［１］～［７］のいずれかに記載の高炉の操業方法。

［９］前記［１］～［８］のいずれかに記載の高炉の操業方法を用いる、溶銑の製造方法。

［１０］前記［１］～［８］のいずれかに記載の高炉の操業方法に用いる高炉付帯設備であって、
前記高炉ガスを用いて前記再生有機物を生成する有機物生成装置と、
前記吹込み還元材を前記高炉の羽口に導入する吹込み還元材供給部、及び、前記送風ガスを前記高炉の羽口に導入する送風ガス供給部を有する、ガス及び還元材吹込み装置と、
を備える、高炉付帯設備。

本開示によれば、安定した操業の下、高炉からの二酸化炭素の排出量をより一層削減することができる高炉の操業方法を提供することができる。また、上記の高炉の操業方法を用いた溶銑の製造方法、及び、上記の高炉の操業方法に用いる高炉付帯設備を提供することができる。

本開示の一実施形態に係る高炉の操業方法に用いる高炉及び高炉附帯設備の一例を模式的に示す図である。 本開示の一実施形態に係る高炉の操業方法に用いる、ガス及び還元材吹込み装置の一例を模式的に示す図である。 比較例で用いた、高炉及び高炉附帯設備の一例を模式的に示す図である。 本開示の一実施形態に係る高炉の操業方法に用いる高炉及び高炉附帯設備の一例を模式的に示す図である。 比較例で用いた、高炉及び高炉附帯設備の一例を模式的に示す図である。

以下、本開示の実施形態について説明する。なお、本開示は以下の実施形態に限定されない。本明細書中において、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。

本開示の一実施形態に係る高炉の操業方法は、前記高炉の羽口から前記高炉内に送風ガス及び吹込み還元材を吹込む工程を有し、
前記吹込み還元材は、再生有機物を含み、
前記再生有機物は、前記高炉から排出される副生ガスである高炉ガス中の一酸化炭素及び二酸化炭素のうちの少なくとも一方と、水素とを用いて生成されるものであり、
かつ、
前記再生有機物は、燃焼反応によりＣＯとＨ_２とに変化するときの発熱量Ｑが４０００ｋＪ／ｋｇ以上である。

まず、本開示の一実施形態に従う高炉の操業方法を、図１に模式的に示す高炉及び高炉附帯設備に適用した場合を例として、説明する。図中、符号１は高炉、２は羽口、３は有機物生成装置、４はガス及び還元材吹込み装置、５は第１の脱水装置、６は第２の脱水装置、７はガス分離装置、９は熱風炉である。

なお、ここでいう高炉には、シャフト型還元炉なども含むものとする。

［高炉の操業方法］
本開示の一実施形態に従う高炉の操業方法では、高炉の炉頂部から高炉内へ原料となる焼結鉱や塊鉱石、ペレット（以下、鉱石原料ともいう）やコークスなどが装入される（図示せず）。また、高炉下部に設置された羽口２から高炉１内へ、送風ガスと還元材とが吹込まれる。なお、羽口２から高炉１内へ吹込む還元材を、コークスと区別するため、吹込み還元材ともいう。また、送風ガスは、羽口から高炉内に吹き込まれるガスであり、高炉内において微粉炭やコークスをガス化する役割も果たす。

送風ガスと吹込み還元材との反応により生じた気体状の一酸化炭素や水素によって、高炉１内に装入した鉱石原料が還元され、溶銑が製造される。この鉱石原料の還元反応において、二酸化炭素が発生し、鉱石原料と反応しなかった一酸化炭素や水素などとともに、副生ガスとして、高炉の炉頂部から排出される。この高炉の炉頂部から排出される副生ガスが、高炉ガスである。また、高炉の炉頂部は２．５気圧程度の高圧条件となっている。そのため、高炉ガスが常圧に戻る際の膨張冷却により、高炉ガスに含まれる水蒸気が凝縮する。そして、第１の脱水装置５において、その凝縮水が除去される。

次に、好適には、高炉ガスの少なくとも一部を、ガス分離装置７に導入する。そして、ガス分離装置７において、高炉ガスから一酸化炭素及び二酸化炭素が分離される。なお、例えば、送風ガスとして酸素ガスを使用する場合には、図４に示すように、高炉ガスから一酸化炭素及び二酸化炭素を分離せずに、高炉ガスをそのまま有機物生成装置３に導入してもよい。

ついで、高炉ガスから分離した一酸化炭素及び二酸化炭素を有機物生成装置３に導入する。そして、有機物生成装置３において、一酸化炭素及び二酸化炭素のうちの少なくとも一方と、水素とを反応させて再生有機物を生成する。なお、ここでいう再生有機物とは、組成式ＣｎＨｍＯｌ（ｎは１以上の整数、ｍ及びｌは０以上の整数）で表される化合物を指しており、固体炭素も含まれる。また、上記再生有機物は純物質である必要はなく、２以上の化合物を含む混合物であってもよい。

有機物生成装置３において、一酸化炭素及び二酸化炭素のうちの少なくとも一方と水素とから再生有機物を生成する方法は、特に限定されず、生成する化合物に合わせて適切な方法を選択すればよい。例えば、再生有機物がエタン又はプロパンを含む場合は、フィッシャー・トロプシュ反応を用いて再生有機物を合成することができる。また、再生有機物がエチレン又はプロピレンを含む場合は、フィッシャー・トロプシュ反応の他にも、Ｍｅｔｈａｎｏｌ ｔｏ Ｏｌｅｆｉｎ（ＭＴＯ）プロセス又はＭｅｔｈａｎｏｌ ｔｏ Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ（ＭＴＰ）プロセスと呼ばれる合成方法を用いることができる。当該合成方法では、一酸化炭素及び二酸化炭素のうちの少なくとも一方と水素との反応でメタノールを合成したのち、触媒を用いてメタノールをエチレン又はプロピレンに変換する。再生有機物が固体炭素を含む場合は、一酸化炭素及び二酸化炭素と水素との反応によりメタンを合成したのち、合成したメタンを熱分解して固体炭素を得る方法などを用いることができる。

再生有機物の生成に使用する水素を含有するガス（以下、水素ガスともいう）の供給方法は、特に限定されず、例えば製鉄所内又は製鉄所外部（以下、単に外部ともいう）から供給すればよい。製鉄所内の供給源としては、コークス炉から排出される副生ガス（以下、コークス炉ガスともいう）などが挙げられる。また、製鉄所内で水素ガスを製造する場合、二酸化炭素を極力発生しない製法が好ましい。例えば、水の電気分解などが挙げられる。加えて、外部から供給される水素ガスとしては、例えば、天然ガスなどの炭化水素を水蒸気改質などによって改質することで製造される水素ガスや、液化水素を気化させて得られる水素ガス、有機ハイドライドを脱水素して製造される水素ガスなどが挙げられる。

また、再生有機物の生成に使用する水素ガスは、水素濃度：１００体積％のガスであってもよいし、なくてもよい。ただし、再生有機物の純度を高めるため、水素濃度が高いガス、具体的には、水素濃度が８０体積％以上の水素ガスが好ましい。水素ガスの水素濃度は、より好ましくは９０体積％以上、さらに好ましくは９５体積％以上である。水素ガスの水素以外の残部ガスとしては、例えば、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｓ、ＣＨ_４及びＮ_２などが挙げられる。

ついで、第２の脱水装置６において、再生有機物中の水分を除去する。水分の除去方法としては、特に限定されないが、水と再生有機物との凝縮点の違いを利用する方法、及び水と再生有機物との相分離を利用する方法などが挙げられる。

上述したようにして、高炉ガス中の一酸化炭素及び二酸化炭素のうちの少なくとも一方と、水素とを用いて再生有機物を生成する。なお、ガス分離装置７及び有機物生成装置３は、必ずしも高炉と隣接して存在する必要はなく、また、製鉄所内に存在する必要もない。例えば、高炉ガスを外部に提供し、外部にあるガス分離装置７で高炉ガスから一酸化炭素及び二酸化炭素のうちの少なくとも一方を分離する。ついで、外部にある有機物生成装置３で一酸化炭素及び二酸化炭素のうちの少なくとも一方と、水素とを用いて再生有機物を生成してもよい。このように外部で生成した再生有機物を、吹込み還元材として用いることもできる。そして、本開示においては、再生有機物が、燃焼反応によりＣＯとＨ_２とに変化するときの発熱量Ｑ（以下、再生有機物の発熱量Ｑともいう）が４０００ｋＪ／ｋｇ以上であることを特徴とする。再生有機物の発熱量Ｑは、羽口から還元材として吹き込まれた再生有機物が、高炉の羽口先において送風ガス中の酸素と燃焼反応を起こしてＣＯとＨ_２とに変化するときの発熱量である。

高炉ガスから生成した再生有機物を吹込み還元材として羽口から吹き込む場合、再生有機物の吹込み量が増えるにつれ、必要なコークス量が少なくなり、二酸化炭素排出量を削減することができる。しかし、再生有機物の吹込み量を増やすにつれて羽口先の温度が低下し、高炉の安定操業が難しくなる。すなわち、再生有機物の吹込み量には上限が存在する。これに対して本発明者らは、羽口から吹込まれた再生有機物が、羽口先でＯ_２と燃焼反応を起こしてＣＯとＨ_２とに変化することに着目して検討を行い、上記の燃焼反応時の発熱量である発熱量Ｑが羽口先の温度に大きく影響することを見出した。そして、吹込み還元材として、再生有機物の発熱量Ｑが４０００ｋＪ／ｋｇ以上の再生有機物を使用すれば、羽口先の温度を高く維持しつつ吹込み還元材の吹込み量を増やすことが可能になるという知見を得た。

さらに、再生有機物の発熱量Ｑを４０００ｋＪ／ｋｇ以上とすることで、再生有機物の燃焼により高炉内へ供給される熱量が大きくなる。そのため、熱供給のために用いるコークスの量が減る。これら２つの効果により、高炉の操業における二酸化炭素排出量を大きく削減することができる。

再生有機物の発熱量Ｑは、例えば、計算式により決定することができる。再生有機物の発熱量Ｑは、例えば、次式（１）で定義される。なお、後述する実施例の再生有機物の発熱量Ｑは、次式（１）により求めたものである。
Ｑ＝Ｑ_Ｌ－２８３０００×（ｘ_Ｃ／１００／１２）－２４１８００×（ｘ_Ｈ／１００／２）…（１）
上掲式（１）において、
Ｑ_Ｌは前記再生有機物の低位発熱量［ｋＪ／ｋｇ］、
ｘ_Ｃは前記再生有機物中の炭素原子の質量比率［ｗｔ％］、
ｘ_Ｈは前記再生有機物中の水素原子の質量比率［ｗｔ％］
を示す。
再生有機物の低位発熱量（真発熱量）Ｑ_Ｌは、ＪＩＳ Ｋ ２２７９に記載の方法により計測することができる。

また、再生有機物が単体に分解する際の発熱量（分解熱）を計測し、ＣとＯ_２とからＣＯが生成する際の反応熱から分解熱を引くことにより、再生有機物の発熱量Ｑを求めることもできる。

また、コークス充填層中に再生有機物をＯ_２とともに吹込んで燃焼させ、その際の温度変化及びコークス消費量を測定し、それらの値を用いて再生有機物の発熱量Ｑを求めてもよい。具体的には下記の通りにして求める。まず、消費されずに残ったコークスの質量、コークス比熱及び温度変化からコークスが受け取った熱量を求め、コークス充填層の出口におけるガス温度、ガス比熱及びガス流量からガスが持ち出す熱量を求める。これらの熱量の合計値が燃焼時に発生した全熱量である。次に、コークスの消費量とコークスの燃焼熱とから、コークスの燃焼で発生した熱量を求める。そして、燃焼時に発生した全熱量からコークスの燃焼で発生した熱量を除くことで、再生有機物の発熱量Ｑが求まる。

なお、再生有機物が２以上の化合物を含む場合、再生有機物の発熱量Ｑは再生有機物を構成する化合物それぞれの発熱量を求め、その質量平均をとることにより決定することができる。

再生有機物の発熱量Ｑが４０００ｋＪ／ｋｇ未満である場合、再生有機物の吹込み量を増やした場合に羽口先温度が大きく低下し、操業トラブルのリスクが高まる。そのため、再生有機物の吹込み量を増やせず、二酸化炭素排出量を大きく削減することができない。また、高炉内への供給熱量が少なくなるため、その分だけ余計にコークスを使用する必要が生じ、二酸化炭素排出量の削減効果が小さくなる。より効果的に二酸化炭素排出量を削減するためには、再生有機物の発熱量Ｑは６０００ｋＪ／ｋｇ以上とすることが好ましい。再生有機物の発熱量Ｑの上限は特に限定されないが、好ましくは１８０００ｋＪ／ｋｇ以下であり得る。

以下で式（１）の導出方法について説明する。再生有機物の平均組成をＣｎＨｍＯｌ（ｎは１以上の整数、ｍ及びｌは０以上の整数）と仮定し、再生有機物の平均モル質量をＭ［ｋｇ／ｍｏｌ］とすると、羽口先での燃焼反応は下記式（２）で表される。
Ｃ_ｎＨ_ｍＯ_ｌ＋（ｎ／２－ｌ／２）Ｏ_２＝ｎＣＯ＋（ｍ／２）Ｈ_２＋ＱＭ…（２）
低位発熱量の定義から、
Ｃ_ｎＨ_ｍＯ_ｌ＋（ｎ＋ｍ／４－ｌ／２）Ｏ_２＝ｎＣＯ_２＋（ｍ／２）Ｈ_２Ｏ＋Ｑ_ＬＭ…（３）
である。
また、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏの生成反応は下記のように表せる。
ＣＯ＋１／２Ｏ_２＝ＣＯ_２＋２８３．０ｋＪ／ｍｏｌ…（４）
Ｈ_２＋１／２Ｏ_２＝Ｈ_２Ｏ＋２４１．８ｋＪ／ｍｏｌ…（５）
式（３）～（５）から下記式（６）が得られる。
Ｃ_ｎＨ_ｍＯ_ｌ＋（ｎ／２－ｌ／２）Ｏ_２＝ｎＣＯ＋（ｍ／２）Ｈ_２＋（Ｑ_ＬＭ－２８３．０×ｎ－２４１．８×ｍ／２）ｋＪ／ｍｏｌ…（６）
式（２）と式（６）を比較すると下記のようになる。
Ｑ＝Ｑ_Ｌ－２８３．０×ｎ／Ｍ－２４１．８×（ｍ／２Ｍ）…（７）
ｘ_Ｃ＝１２×ｎ／Ｍ／１０００×１００、ｘ_Ｈ＝ｍ／Ｍ／１０００×１００なので、これを（７）に代入すると（１）式が得られる。

再生有機物は、エチレン、プロピレン、固体炭素、エタン、プロパン及びフェノールからなる群から選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。エチレン、プロピレン、固体炭素、エタン、プロパン及びフェノールは、いずれも燃焼反応によりＣＯとＨ_２とに変化するときの発熱量Ｑが４０００ｋＪ／ｋｇ以上である。よって、これらを再生有機物として用いることにより、より効果的に二酸化炭素排出量を削減することができる。

ついで、再生有機物を、ガス及び還元材吹込み装置４に導入する。ガス及び還元材吹込み装置４は、第２の脱水装置６を介して有機物生成装置３と接続される。なお、ガス及び還元材吹込み装置４は、吹込み還元材を高炉１の羽口２に導入する還元材供給部、及び、送風ガスを高炉１の羽口２に導入する送風ガス供給部を有する。

例えば、図２（ａ）に示すように、ガス及び還元材吹込み装置４は、中心管４－１及び外管４－３を有する同軸多重管から構成される。そして、還元材供給部（路）となる中心管内路へ再生有機物が導入され、送風ガス供給部（路）となる中心管４－１と外管４－３との間の環状管路へ送風ガスが導入される。

吹込み還元材の吹込み量は、高炉の操業安定性及び羽口先での良好な燃焼性を確保できる範囲に制御する。ここで、高炉の安定操業のためには、羽口先温度を２０００℃以上２４００℃以下の範囲に制御することが好ましい。また、羽口先での吹込み還元材の燃焼性の確保のためには、（吹込み還元材中Ｃ原子のモル数）／（送風ガス中Ｏ原子のモル数）で表されるＣ／Ｏ比が０．７以下であることが好ましい。そのため、羽口先温度が２０００℃以上２４００℃以下かつＣ／Ｏ比が０．７以下となるような範囲で吹込み還元材の吹込み量を決めることが好ましい。Ｃ／Ｏ比の下限は特に限定されないが、好ましくは、Ｃ／Ｏ比は０．１以上であり得る。

羽口先の温度が２０００℃以上２４００℃以下かつＣ／Ｏ比が０．７以下となる範囲であれば、その他の吹込み還元材、例えば、微粉炭や廃プラスチック、水素ガスや一酸化炭素ガス等の還元ガスを再生有機物と一緒に使用してもよい。なお、再生有機物以外のその他の吹込み還元材の高炉内への吹込み量は、合計で１５０ｋｇ／ｔ以下とすることが好ましい。また、再生有機物以外のその他の吹込み還元材の高炉内への吹込み量は、合計で０ｋｇ／ｔよりも大きくすることが好ましい。ここで、「ｋｇ／ｔ」という単位は、溶銑１ｔを製造する際に高炉内へ吹込むその他の吹込み還元材の量である。

その他の吹込み還元材を使用する場合、再生有機物供給部に、その他の吹込み還元材も一緒に導入してもよい。その他の吹込み還元材として微粉炭や廃プラスチックを用いる場合には、再生有機物給部とは別に、微粉炭や廃プラスチックを流通させる別の還元材供給部（路）を設けることが好ましい。この場合、ガス及び還元材吹込み装置４は、例えば、図２（ｂ）に示すように、中心管４－１及び外管４－３に加え、中心管４－１と外管４－３の間に内管４－２を設けた同軸多重管により構成される。そして、別の還元材供給部となる中心管内路から微粉炭や廃プラスチックなどのその他の吹込み還元材が導入され、再生有機物ガス供給部となる中心管４－１と内管４－２との間の環状管路から再生有機物が導入され、送風ガス供給部となる内管４－２と外管４－３との間の環状管路から送風ガスが導入される。

ついで、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、ガス及び還元材吹込み装置４から導入された吹込み還元材及び送風ガスが羽口２内で混合される。そして、この混合ガスが、羽口２から高炉１内に吹込まれた直後に、急速着火・急速燃焼する。そして、羽口２の先の高炉内に、吹込みメタンガス等の吹込み還元材やコークスと酸素ガスとが反応する領域であるレースウェイ８が形成される。

二酸化炭素の排出量をより削減するためには、再生有機物における炭素原子の質量比率ｘ_Ｃ及び再生有機物における水素原子の質量比率ｘ_Ｈの合計であるｘ_Ｃ＋ｘ_Ｈ（以下、ｘ_Ｃ＋ｘ_Ｈともいう）が９０ｗｔ％以上であることが好ましい。炭素原子及び水素原子は、羽口で燃焼反応を起こしてＣＯ及びＨ_２に変化し鉄鉱石を還元する。一方、炭素原子及び水素原子以外の元素は、鉄鉱石の還元反応に寄与しない。そのため、再生有機物中に炭素原子及び水素原子以外の元素は含まれない方が好ましい。よって、ｘ_Ｃ＋ｘ_Ｈは、好ましくは９０ｗｔ％以上、より好ましくは９５ｗｔ％以上である。ｘ_Ｃ＋ｘ_Ｈの上限は、特に限定されず、１００ｗｔ％であってもよい。

また、再生有機物中の炭素原子の質量比率ｘ_Ｃが８５ｗｔ％以上であることが好ましい。これは、再生有機物中の炭素原子の比率が多いほど、コークス中のＣを代替し、コークス使用量を減らすことが出来るためである。再生有機物中の炭素原子の質量比率ｘ_Ｃの上限は、特に限定されず、１００ｗｔ％であってもよい。なお、ｘ_Ｃおよびｘ_Ｈはそれぞれ、吹込み還元材に使用する再生有機物の合計質量に対する当該再生有機物に含まれる炭素原子の合計質量および水素原子の合計質量の比率である。

再生有機物は、エチレン及びプロピレンの少なくとも一方を合計で９０ｗｔ％以上含む、すなわち、再生有機物におけるエチレン及びプロピレンの合計（質量）比率（以下、エチレン及びプロピレンの合計比率ともいう）が９０ｗｔ％以上であることが好ましい。エチレン及びプロピレンは、二酸化炭素排出量削減効果が高い上、常温で気体であるため、取扱いや羽口からの吹込みが容易であるという利点がある。エチレン及びプロピレンの合計比率は、９５ｗｔ％以上がより好ましい。エチレン及びプロピレンの合計比率は、特に限定されず、１００ｗｔ％であってもよい。

加えて、吹込み還元材は再生有機物を８０ｗｔ％以上含むことが好ましい。吹込み還元材中の再生有機物の比率（質量比率）が８０ｗｔ％以上であることで、より効果的に二酸化炭素排出量を削減することができる。吹込み還元材中の再生有機物の比率は、好ましくは９０ｗｔ％以上である。吹込み還元材中の再生有機物の比率の上限は特に限定されず、１００ｗｔ％であってもよい。

二酸化炭素の排出量をより削減するためには、送風ガスの酸素濃度を高めることが好ましい。送風ガスとして純酸素を用いることがより好ましい。送風ガスの酸素濃度を高めることにより、羽口先温度の低下を抑制し、再生有機物の吹込み量を増やすことができる。そのため、二酸化炭素排出量の削減効果がさらに上昇する。

なお、送風ガスとして純酸素を用いる場合、熱風（１２００℃程度に加熱した空気）を用いる場合に比べて着火性が悪くなる。そのため、ガス及び還元材吹込み装置４の送風ガス供給部を構成する外管の吐出部を多孔構造とし、酸素ガスと吹込み還元材との混合を促進することが好ましい。また、送風ガス中の酸素濃度が増加すると、炉内ガス量が少なくなり、高炉上部における装入物の昇温が不十分となる場合がある。この場合には、図４に示すように、第１の脱水装置５の下流の高炉ガスの一部を、８００℃～１０００℃程度となるようにバーナー１０により部分燃焼させた後、高炉シャフト部に吹込む、予熱ガス吹込みを行うことが好ましい。

また、高炉ガスの一部から再生有機物を生成した上で、高炉ガスの余剰分を製鉄所内又は外部に供給してもよい。再生有機物に余剰分がある場合には、その余剰分を製鉄所内又は外部に供給してもよい。

上記以外の高炉の操業条件は特に限定されず、常法に従えばよい。なお、本開示の一実施形態に従う溶銑の製造方法は、上記高炉の操業方法を用いるものである。上記以外の溶銑の製造条件については、特に限定されず、常法に従えばよい。

［高炉付帯設備］
本開示の一実施形態に従う高炉附帯設備は、上記の高炉の操業方法に用いる高炉附帯設備であって、
前記高炉ガスを用いて前記再生有機物を生成する有機物生成装置と、
前記吹込み還元材を前記高炉の羽口に導入する吹込み還元材供給部、及び、前記送風ガスを前記高炉の羽口に導入する送風ガス供給部を有する、ガス及び還元材吹込み装置と、
を備える、高炉付帯設備
である。

ここで、有機物生成装置は、例えば、高炉ガス取入れ部と、水素ガス取入れ部と、反応部とを有する。反応部では、高炉ガス取入れ部から取り入れた高炉ガスと、水素ガス取入れ部から取り入れた水素ガスとを反応させて、再生有機物を生成する。

ガス及び還元材吹込み装置は、上記したように、例えば、図２（ａ）に示すように、中心管４－１及び外管４－３を有する同軸多重管から構成される。そして、還元材供給部（路）となる中心管内路へ還元材である再生有機物が導入され、送風ガス供給部（路）となる中心管４－１と外管４－３との間の環状管路へ送風ガスが導入される。

また、その他の吹込み還元材、例えば、微粉炭や廃プラスチック、水素ガスや一酸化炭素ガス等の還元ガスを一緒に使用してもよい。

その他の吹込み還元材を使用する場合、再生有機物とその他の吹込み還元材を、還元材供給部に一緒に導入してもよい。また、その他の吹込み還元材として微粉炭や廃プラスチックを用いる場合には、再生有機物用の還元材供給部とは別に、微粉炭や廃プラスチックを流通させる別の還元材供給部（路）を設けることが好ましい。この場合、ガス及び還元材吹込み装置は、例えば、図２（ｂ）に示すように、中心管４－１及び外管４－３に加え、中心管４－１と外管４－３の間に内管４－２を設けた同軸多重管により構成される。そして、中心管内路から微粉炭や廃プラスチックなどのその他の吹込み還元材が導入され、中心管４－１と内管４－２との間の環状管路から再生有機物が導入され、送風ガス供給部となる内管４－２と外管４－３との間の環状管路から送風ガスが導入される。

本開示によれば、安定した操業の下、高炉から外部への二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量の一層の削減が可能となる。また、高炉ガスから生成した再生有機物を使用することにより、コークス及び微粉炭、すなわち、有限の化石燃料である石炭の使用量を削減することも可能となる。

図１及び図３～５に模式的に示した高炉及び高炉附帯設備を用いて、表１に示す条件で高炉操業を行い、操業中の羽口先温度及び高炉からの二酸化炭素の排出量を評価した。発明例１，３～１０と比較例２，３については、図１に模式的に示した高炉及び高炉附帯設備を用いた。発明例２については、図４に模式的に示した高炉及び高炉附帯設備を用いた。比較例１については、図３に模式的に示した従来型の高炉及び高炉附帯設備を用いた。比較例４については、図５に模式的に示した高炉及び高炉附帯設備を用いた。評価結果を表１に併記する。

発明例においては、ＣＯ_２排出量が１３００ｋｇ／ｔ以下に抑えられた。また、羽口先温度が２０００℃以上であり、安定した操業が可能であった。これに対し、比較例においては、ＣＯ_２排出量が１３００ｋｇ／ｔ超、又は羽口先温度が２０００℃未満となり、ＣＯ_２排出量又は操業の安定性に問題があった。

１ 高炉
２ 羽口
３ 有機物生成装置
４ ガス及び還元材吹込み装置
４－１ 中心管
４－２ 内管
４－３ 外管
５ 第１の脱水装置
６ 第２の脱水装置
７ ガス分離装置
８ レースウェイ
９ 熱風炉
１０ バーナー

Claims (9)

1. 高炉の操業方法であって、
   前記高炉の操業方法は、前記高炉の羽口から前記高炉内に送風ガス及び吹込み還元材を吹込む工程を有し、
   前記吹込み還元材は、再生有機物を含み、
   前記再生有機物は、前記高炉から排出される副生ガスである高炉ガス中の一酸化炭素及び二酸化炭素のうちの少なくとも一方と、水素とを用いて生成されるものであり、
   かつ、
   前記再生有機物は、燃焼反応によりＣＯとＨ_２とに変化するときの発熱量Ｑが４０００ｋＪ／ｋｇ以上であり、
   前記吹込み還元材が前記再生有機物を８０ｗｔ％以上含む、高炉の操業方法。
2. 前記再生有機物における炭素原子の質量比率ｘ_Ｃと前記再生有機物における水素原子の質量比率ｘ_Ｈとの合計であるｘ_Ｃ＋ｘ_Ｈが９０ｗｔ％以上である、請求項１に記載の高炉の操業方法。
3. 前記再生有機物における炭素原子の質量比率ｘ_Ｃが８５ｗｔ％以上である、請求項１に記載の高炉の操業方法。
4. 前記再生有機物が、エチレン、プロピレン、固体炭素、エタン、プロパン及びフェノールからなる群から選ばれる少なくとも一種を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の高炉の操業方法。
5. 前記再生有機物が、エチレン及びプロピレンの少なくとも一方を合計で９０ｗｔ％以上含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の高炉の操業方法。
6. 前記高炉ガスの一部から前記再生有機物を生成し、前記高炉ガスの余剰分を製鉄所内又は外部に供給する、請求項１～３のいずれか１項に記載の高炉の操業方法。
7. 前記再生有機物の余剰分を製鉄所内又は外部に供給する、請求項１～３のいずれか１項に記載の高炉の操業方法。
8. 請求項１～３のいずれか１項に記載の高炉の操業方法を用いる、溶銑の製造方法。
9. 請求項１～３のいずれか１項に記載の高炉の操業方法に用いる高炉付帯設備であって、
   前記高炉ガスを用いて前記再生有機物を生成する有機物生成装置と、
   前記吹込み還元材を前記高炉の羽口に導入する吹込み還元材供給部、及び、前記送風ガスを前記高炉の羽口に導入する送風ガス供給部を有する、ガス及び還元材吹込み装置と、
   を備える、高炉付帯設備。
   

Images