JPWO2015029424A1 - 高炉操業方法 - Google Patents

Abstract

より一層の燃焼温度の向上及び燃料原単位の低減を可能とする高炉操業方法を提供する。高炉の羽口から熱風を高炉へ吹き込むとともに、ランスから微粉炭（固体還元材）と少なくともＬＮＧ（易燃性還元材）及び酸素（支燃性ガス）の何れか一方とを前記羽口から高炉へ吹込む。粒子径７５μｍ以上の微粉炭の粒子を微粉炭全量の６５ｍａｓｓ％以下とすることで、ランスから吹込まれるＬＮＧ及び酸素の少なくとも一つが微粉炭と効率良く混合し、微粉炭と酸素との反応が促進し及び／又はＬＮＧの燃焼熱で微粉炭の温度が大幅に上昇する。これらにより、微粉炭の燃焼速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上し、もって還元材比を低減することができる。また、送風に富化する酸素の一部をランスから吹込むことにより、高炉内のガスバランスを損なうことがなく、酸素の過剰供給を回避することができる。

Description

本発明は、高炉羽口から微粉炭などの固体還元材と、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）などの易燃性還元材、又は、酸素などの支燃性ガスとを吹込んで、燃焼温度を上昇させることにより生産性の向上及び還元材比の低減を図る高炉の操業方法に関するものである。

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ＣＯ_２排出量の抑制は重要な課題である。最近の高炉操業では、還元材比（ＲＡＲ：Reduction Agent Ratioの略で、銑鉄１ｔ当たりの、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）を低く抑える操業が強力に推進されている。高炉操業では、主にコークス及び微粉炭を還元材として使用しており、還元材比を低く抑えるために、コークスなどを廃プラスチック、ＬＮＧ、重油等の水素含有率の高い物質に置換する方策や還元材の燃焼性を向上させる方策が有効である。

還元材として吹き込まれる微粉炭の燃焼性を向上させるべく、特許文献１では、羽口から還元材を吹込むバーナーを二重管とし、二重管の内管からＬＮＧを吹込み、内管と外管の隙間から微粉炭を吹込むことが提案されている。特許文献２では、同じく羽口から還元材を吹込む吹込用ノズルを二重管とし、二重管のノズルの内管から微粉炭を吹込み、内管と外管の隙間からＬＮＧを吹込むことが提案されている。特許文献３では、還元材を吹き込むランスを二本用い、固体還元材である微粉炭を吹き込むランスを二重管構造とし、二重管ランスの内管から微粉炭を吹き込み、内管と外管との隙間から酸素を吹き込み、もう一本のランスからＬＮＧを吹き込むことが提案されている。特許文献４では、粒子径２０μｍ以下の微粉炭の割合を増加させることで微粉炭そのものの燃焼性を改善することが提案されている。

特許第３１７６６８０号公報 特公平１−２９８４７号公報 特開２０１３−４０４０２号公報 特許第４９８０１１０号公報

特許文献１、２、３に記載される高炉操業方法は、従来の微粉炭だけを羽口から吹込む方法に比べれば、燃焼温度の向上や還元材比の低減に効果があるものの、微粉炭の粒度や、微粉炭のキャリアガス（搬送ガス）速度によっては十分な効果が発揮されない可能性がある。具体的には、前者は粒度が粗いほど、後者はキャリアガス速度が速いほど、微粉炭粒子の軌道がＬＮＧや酸素などのガスの流れから離れていき、微粉炭とＬＮＧや酸素などのガスとの混合性が低下し、微粉炭の燃焼性が低下する。また、特許文献４では粒子径２０μｍ以下の割合を増加させることで微粉炭そのものの燃焼性を改善することが提案されているが、易燃性還元材や支燃性ガスとの混合性については考慮されておらず、特許文献４の発明には、固体還元材（微粉炭）の燃焼性の更なる向上の余地があると考えられる。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、より一層の燃焼温度の向上及び還元材比の低減を可能とする高炉操業方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下の通りである。
（１）高炉の羽口から熱風を高炉へ吹き込むとともに、易燃性還元材及び支燃性ガスのうちの少なくとも一つと粉状の固体還元材とを、前記羽口からランスを通じて高炉へ吹込む高炉操業方法であって、前記固体還元材は、粒子径７５μｍ以上の粒子を６５ｍａｓｓ％以下含有する高炉操業方法。
（２）前記支燃性ガスは、５０ｖｏｌ％以上の酸素濃度を有し、前記熱風に富化される酸素の一部を前記ランスから吹込む上記（１）に記載の高炉操業方法。
（３）前記固体還元材が微粉炭である上記（１）または上記（２）に記載の高炉操業方法。
（４）前記易燃性還元材が、水素、都市ガス、ＬＮＧ、プロパンガス、転炉ガス、高炉ガス、コークス炉ガス、シェールガスの何れかである上記（１）ないし上記（３）のいずれか１つに記載の高炉操業方法。

本発明の高炉操業方法によれば、一本のランスから粉状の固体還元材と易燃性還元材及び支燃性ガスのうちの少なくとも一つとを吹込む場合に、粒子径７５μｍ以上の粒子をランスから吹込まれる固体還元材全量の６５ｍａｓｓ％以下とすることで、ランスから吹込まれる易燃性還元材及び支燃性ガスのうちの少なくとも一つが固体還元材と効率良く混合し、固体還元材と支燃性ガスとの反応が促進し、又は易燃性還元材の燃焼熱で固体還元材の温度が大幅に上昇し、これらにより固体還元材の燃焼速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上し、もって還元材比を低減することができる。

図１は、高炉の一例を示す縦断面図である。 図２は、図１のランスから微粉炭だけを吹込んだときの燃焼状態の説明図である。 図３は、図２の微粉炭の燃焼メカニズムの説明図である。 図４は、微粉炭とＬＮＧと酸素とを吹込んだときの燃焼メカニズムの説明図である。 図５は、実験に用いたランスの諸元の説明図である。 図６は、微粉炭の粒子径が７５μｍ以上であるときの微粉炭流の説明図である。 図７は、微粉炭の粒子径が７５μｍ未満であるときの微粉炭流の説明図である。 図８は、燃焼実験装置の説明図である。 図９は、燃焼実験結果の微粉炭粒子径と微粉炭の燃焼率の関係を示す説明図である。

次に、本発明の高炉操業方法の実施形態の一例について図面を参照しながら説明する。以下、本実施形態では、易燃性還元材としてＬＮＧを例にとって説明する。図１は、高炉の全体図である。高炉１では、その炉頂からコークスと鉱石とを装入し、該鉱石を還元し溶融して銑鉄を生成している。高炉１の下部に形成された羽口３には、送風管（ブローパイプ）２が接続され、該送風管２に、その側壁を貫通する形でランス４が挿入されている。高炉操業では、高炉１内の下部では、コークスが堆積してコークス堆積層が形成され、羽口３には、送風管２を通じて熱風が送られるとともに、ランス４から微粉炭が送られる。羽口３における熱風の流れ方向先方のコークス堆積層には、レースウエイ５と呼ばれる燃焼空間が形成され、主として、この燃焼空間で、微粉炭やコークスなどの還元材が燃焼し、還元材のガス化が行われる。図１では、高炉１の側壁左側の送風管２にランス４が１本だけ挿入されているが、高炉１の側壁に沿って円周状に配置された送風管２及び羽口３の何れにもランス４を挿入することは可能である。また、１つの羽口３当たりのランス４の数は１本に限定されず、２本以上を挿入することが可能である。また、ランスの形態も、二重管ランスや三重管ランス、或いは複数の吹込み管を束ねたランスも適用可能である。

図２には、ランス４から固体還元材として微粉炭６だけを吹込んだときの燃焼状態を示す。ランス４から羽口３を通過し、レースウエイ５内に吹込まれた微粉炭６は、コークス７と共に、その揮発分と固定炭素が燃焼し、燃焼しきれずに残った炭素と灰分の集合体（一般にチャーと呼ばれる）は、レースウエイ５から未燃のチャー８として排出される。羽口３の熱風が送られる方向（送風方向）先方における熱風速度は約２００ｍ／秒であり、ランス４の先端からレースウエイ５内におけるＯ_２の存在領域は約０．３〜０．５ｍとされているので、実質的に１／１０００秒のレベルで微粉炭粒子の昇温及びＯ_２との接触効率（分散性）の改善が必要となる。

図３は、ランス４から送風管２内に微粉炭（図ではＰＣ：Pulverized Coal）６のみを吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。微粉炭６は、Ｎ_２などのキャリアガス（搬送ガス）と共に吹込まれる。羽口３からレースウエイ５内に吹き込まれた微粉炭６は、まず送風からの対流伝熱によって加熱され、更にレースウエイ５内の火炎からの輻射伝熱、伝導伝熱によって急激に粒子温度が上昇し、３００℃以上昇温した時点から熱分解が開始し、揮発分に着火して火炎が形成され、燃焼温度は１４００〜１７００℃に達する。揮発分が放出してしまうと、前述したチャー８となる。チャー８は、主に固定炭素であるので、燃焼反応と共に、炭素溶解反応と呼ばれる反応も生じる。このとき、ランス４から送風管２内に吹込まれる微粉炭の揮発分の増加により、微粉炭の着火が促進され、揮発分の燃焼量増加により微粉炭の昇温速度と最高温度が上昇し、微粉炭の分散性と温度の上昇によりチャーの反応速度が上昇する。即ち、揮発分の気化膨張に伴って微粉炭が分散し、揮発分が燃焼し、この燃焼熱によって微粉炭が急速に加熱、昇温すると考えられ、これにより例えば炉壁に近い位置で微粉炭が燃焼する。

図４は、ランス４から送風管２内に微粉炭６とともに、易燃性還元材であるＬＮＧ９と支燃性ガスである酸素Ｏ_２とを吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。微粉炭６とＬＮＧ９と酸素Ｏ_２との吹込み方法は、単純に平行に吹込んだ場合を示している。図４中の一点鎖線は、図３に示した微粉炭のみを吹込んだ場合の粒子温度を参考に示している。このように微粉炭とＬＮＧと酸素とを同時に吹き込む場合、ＬＮＧと酸素とからなるガスの流れ（図４では「拡散」と記載）に伴って微粉炭が分散し、ＬＮＧとＯ_２の接触によってＬＮＧが燃焼し、その燃焼熱によって微粉炭が急速に加熱、昇温されると考えられ、これにより微粉炭の着火が促進される。そのため、微粉炭の燃焼性を向上するためには、ＬＮＧやＯ_２などのガス流から微粉炭が離れず混合されることが重要である。

図５には、微粉炭とＬＮＧと酸素とを同時に吹込むランス４の一例の諸元を示す。ランス４は、内管Ｉ、中管Ｍ、外管Ｏからなる三重管ランスである。この三重管ランス４では、内管Ｉに呼び径８Ａ、呼び厚さスケジュール１０Ｓのステンレス鋼管を、中管Ｍに呼び径１５Ａ、呼び厚さスケジュール４０のステンレス鋼管を、外管Ｏに呼び径２０Ａ、呼び厚さスケジュール１０Ｓのステンレス鋼管を用いた。各ステンレス鋼管の諸元は図に示す通りである。そして、その結果、内管Ｉと中管Ｍの隙間は１．１５ｍｍ、中管Ｍと外管Ｏの隙間は０．６５ｍｍとなった。なお、後述する二重管ランスは、前記三重管ランスから外管を除去したもの、単管ランスは、前記三重管ランスの内管だけで構成されるものである。この三重管を用いれば、内管Ｉから微粉炭、内管Ｉと中管Ｍの隙間からＬＮＧまたは酸素、中管Ｍと外管Ｏの隙間から酸素またはＬＮＧを吹き出すことができる。

図６及び図７は、このようなランス４を用いて送風管２内に微粉炭６とともにＬＮＧ９及び酸素を吹込んだ場合の、微粉炭の粒子径に応じた微粉炭とガスとの混合状態を示すものであり、図６は微粉炭粒子径が７５μｍ以上の場合を示し、図７は微粉炭粒子径が７５μｍ未満の場合を示す。粒子径が７５μｍ以上の微粉炭粒子はキャリアガスによって炉内に吹込まれる際の慣性力によって進行し、一方、ＬＮＧや酸素などのガスは周囲の送風の流れに即座に従うため、微粉炭がガス流れから離れてしまう。従って、この場合、微粉炭とＬＮＧ又は酸素の同時吹込みによる燃焼性向上効果は減少すると考えられる。これに対し、粒子径が７５μｍ未満の微粉炭粒子は、ＬＮＧや酸素などのガスとともに周囲の送風の流れに従うため、両者の間に、微粉炭粒子が送風の流れから離れにくく、同時吹込みによる燃焼性向上効果が確保できると考えられる。

以上のような知見に基づき、前述したランス４で供給される微粉炭の燃焼実験を行った。該燃焼実験で用いる燃焼実験装置を図８に示す。燃焼実験装置は、高炉１での羽口先の内部空間を模擬する装置であり、コークスが充填される実験炉１１と、該実験炉１１に形成される羽口に接続される送風管１２と、を有する。送風管１２には、熱風が送り込まれる構成となっており、燃焼バーナ１３が接続され、該燃焼バーナ１３で生じた熱風を実験炉１１内に所定の量で送り込むことができ、熱風を実験炉１１へ送り込むことによって、羽口先には、レースウエイ１５が形成される。更には、送風管１２にはランス４が挿入されている。ランス４から、微粉炭及びＬＮＧ及び酸素の何れか一つ又は二つ以上を送風管１２に吹き込むことができ、実験炉１１に吹き込まれる熱風の酸素富化量を調整することも可能である。また、実験炉１１には覗き窓が設けられており、該覗き窓からレースウエイ１５の内部を観察することができる。実験炉１１の上部には、サイクロンと呼ばれる分離装置１６が配管を介して接続されており、実験炉１１内で生じた排ガスは、分離装置１６で排ガスとダストに分離され、排ガスは助燃炉などの排ガス処理設備に送給され、ダストは捕集箱１７に捕集される。

燃焼実験では、ランス４として、単管ランスと二重管ランス、及び三重管ランスの三種類を用い、単管ランスを用いて微粉炭のみを吹込んだ場合、二重管ランスを用い、二重管ランスの内管から微粉炭、内管と外管の隙間からＬＮＧを吹込んだ場合、三重管ランスの内管から微粉炭、内管と中管の隙間からＬＮＧ、中管と外管の隙間から酸素を吹込んだ場合の夫々について、ランス先３００ｍｍにて未燃チャーのサンプリングを実施し、燃焼率を算出した。未燃チャーは、レースウエイの後方からプローブで未燃チャーを回収して灰分の化学分析を行った。燃焼率は、アッシュトレーサー法により算出した。チャーの灰分は反応の前後で不変であると仮定し、灰分割合の変化からチャーの燃焼率η（％）を下記式（１）で算出した。

ここで、ash₀は、微粉炭の初期（燃焼前）の灰分割合（mass%）であり、
ashは、採取チャーの灰分割合（mass%）である。

微粉炭の諸元は、固定炭素（ＦＣ：Fixed Carbon）７７．８ｍａｓｓ％、揮発分（ＶＭ：Volatile Matter）１３．６ｍａｓｓ％、灰分（Ａｓｈ）８．６ｍａｓｓ％で、吹込み条件は５１．０ｋｇ／ｈ（製銑原単位で１５０ｋｇ／ｔ相当）とした。また、ＬＮＧの吹込み条件は、３．６ｋｇ／ｈ（５Ｎｍ^３／ｈ、製銑原単位で１０ｋｇ／ｔ相当）とした。送風条件は、送風温度１２００℃、流量３５０Ｎｍ^３／ｈ、流速８０ｍ／ｓ、Ｏ_２富化＋３．７ｖｏｌ％（酸素濃度２４．７ｖｏｌ％、空気中酸素濃度２１ｖｏｌ％に対し、３．７ｖｏｌ％の富化）とした。実験結果の評価は、単管ランスから微粉炭のみ（キャリアガスとしてＮ_２を使用）を吹込んだ場合の燃焼率を基準とし、二重管ランス、三重管ランスの夫々を評価した。なお、支燃性ガスとしてＯ_２を吹込む場合には、送風に富化する酸素の一部を用い、炉内に吹き込まれるＯ_２の総量が変化しないようにした。また、支燃性ガスとしては、大気を用いることもできる。なお、本発明において、支燃性ガスは、５０ｖｏｌ％以上の酸素濃度を有する。酸素濃度が、少なくとも５０ｖｏｌ％であれば、支燃性ガス以外の物質を燃焼させることが可能となるからである。

図９には、前述した燃焼実験の結果を示す。図９から明らかなように、粒子径７５μｍ以上の微粉炭の質量割合がランスから吹込まれる微粉炭総量の６５ｍａｓｓ％以下であるとき、二重管ランス及び三重管ランスで燃焼性向上効果が得られ、特に、二重管ランス及び三重管ランスでは燃焼性が向上していることがわかる。また、単管ランス、二重管ランス及び三重管ランスのいずれにおいても、粒子径７５μｍ以上の微粉炭の質量割合が６５ｍａｓｓ％を超えると、急激に、微粉炭の燃焼性が悪化していることもわかる。前述したように、粒子径７５μｍ以上の微粉炭の質量割合を微粉炭総量の６５ｍａｓｓ％以下とすることで、微粉炭流が、ＬＮＧや酸素のガス流から離れずに、同時吹込みによる燃焼性向上効果が確保されたものと考えられる。

また、粒子径７５μｍ以上の微粉炭の質量割合は、２０ｍａｓｓ％以下であることがより好ましい。図９からわかるように、質量割合が大きくなるほど、微粉炭の燃焼率は低下してしまう傾向があるが、２０ｍａｓｓ％以下であれば、微粉炭の燃焼率は、ほとんど低下せずに高い値を維持できている。

ランス４の多重管として、鋼管を用いる場合、重管ランスの表面温度が８８０℃を上回るとクリープ変形が起こり、重管ランスが曲がってしまう。従って、重管ランスの外管の出口流速を２０ｍ／秒以上として冷却効率を高めることで冷却を行えば重管ランスに変形や曲がりは生じない。一方、二重管ランスの外管と内側管との隙間からの出口流速が１２０ｍ／秒を超えたりすると、設備の運用コストの点で実用的でないので、二重管ランスの前記出口流速の上限は１２０ｍ／秒とする。ちなみに、単管ランスは二重管ランスに比べて熱負荷が少ないため、必要に応じ、出口流速を２０ｍ／秒以上とすればよい。

熱風に富化される酸素の一部をランス４から吹込むことが好ましい。これにより、高炉内のガスバランスを損なうことがなく、酸素の過剰供給を回避することができる。

上記実施形態では、易燃性還元材としてＬＮＧを用いたが、本発明に係る易燃性還元材は、ＬＮＧのみに限定されるものではない。易燃性還元材は、ＬＮＧ以外には、水素、都市ガス、プロパンガス、転炉ガス、高炉ガス、コークス炉ガス、及び、シェールガスの何れかであることが好ましい。シェールガスは頁岩（シェール）層から採取される天然ガスであり、ＬＮＧと等価物と言え、従来のガス田ではない場所から生産されることから、非在来型天然ガス資源と呼ばれているものである。都市ガスなどの易燃性還元材は、着火・燃焼が非常に早く、水素含有量が多いものでは燃焼カロリーも高く、また易燃性還元材は、微粉炭と異なり、灰分を含んでいないことも高炉の通気性、熱バランスに対して有利である。

上記実施形態では、固体還元材として微粉炭のみを用いたが、本発明に係る固体還元材は微粉炭のみに限定されるものではない。固体還元材としては、例えば、廃プラスチックなどを粉砕したものが使用可能である。

このように、本実施形態の高炉操業方法では、一本のランス４から微粉炭（固体還元材）６とＬＮＧ（易燃性還元材）９及び酸素（支燃性ガス）のうちの少なくとも一つとを吹込む場合に、粒子径７５μｍ以上の微粉炭６の粒子を微粉炭全量の６５ｍａｓｓ％以下とすることで、ランス４から吹込まれるＬＮＧ９及び酸素のうちの少なくとも一つが微粉炭６と効率良く混合し、微粉炭６と酸素との反応が促進し、又はＬＮＧ９の燃焼熱で微粉炭６の温度が大幅に上昇し、これらにより微粉炭６の燃焼速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上し、もって還元材比を低減することができる。

１ 高炉
２ 送風管
３ 羽口
４ ランス
５ レースウエイ
６ 微粉炭（固体還元材）
７ コークス
８ チャー
９ ＬＮＧ（易燃性還元材）
１１ 実験炉
１２ 送風管（燃焼実験装置の）
１３ 燃焼バーナ
１５ レースウエイ（実験炉に形成される）
１６ 分離装置
１７ 捕集箱

Claims (4)

1. 高炉の羽口から熱風を高炉へ吹き込むとともに、
   易燃性還元材及び支燃性ガスのうちの少なくとも一つと粉状の固体還元材とを、前記羽口からランスを通じて高炉へ吹込む高炉操業方法であって、
   前記固体還元材は、粒子径７５μｍ以上の粒子を６５ｍａｓｓ％以下含有する高炉操業方法。
2. 前記支燃性ガスは、５０ｖｏｌ％以上の酸素濃度を有し、前記熱風に富化される酸素の一部を前記ランスから吹込む請求項１に記載の高炉操業方法。
3. 前記固体還元材が微粉炭である請求項１または請求項２に記載の高炉操業方法。
4. 前記易燃性還元材が、水素、都市ガス、ＬＮＧ、プロパンガス、転炉ガス、高炉ガス、コークス炉ガス、シェールガスの何れかである請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の高炉操業方法。
   

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