KR101686717B1 - 고로 조업 방법 - Google Patents

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KR101686717B1
KR101686717B1 KR1020147000750A KR20147000750A KR101686717B1 KR 101686717 B1 KR101686717 B1 KR 101686717B1 KR 1020147000750 A KR1020147000750 A KR 1020147000750A KR 20147000750 A KR20147000750 A KR 20147000750A KR 101686717 B1 KR101686717 B1 KR 101686717B1
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lng
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다이키 후지와라
아키노리 무라오
시로 와타카베
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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Abstract

한층 더 연소 온도의 향상 및 환원재 원단위의 저감을 가능하게 하는 고로 조업 방법을 제공한다. 트위어로부터 환원재를 취입하는 랜스를 2 개 이상 사용하여, 고체 환원재로서 미분탄을, 이연성 환원재로서 LNG 를 사용하는 경우, LNG 를 취입하는 랜스의 선단으로부터 연장된 축선과 미분탄을 취입하는 랜스의 선단으로부터 연장된 축선이 교차하도록 랜스를 배치함으로써, 상이한 랜스로부터 취입되는 LNG 와 미분탄의 주흐름이 겹치고, LNG 가 O2 에 접촉하여 먼저 연소됨으로써 폭발적으로 확산됨과 함께 미분탄의 온도가 대폭 상승하고, 이로써 연소 온도가 대폭 향상되어, 환원재 원단위를 저감시킬 수 있다. 또, 미분탄을 취입하는 랜스에 이중관 랜스를 사용한 경우, 내측관으로부터 미분탄을, 외측관으로부터 산소를 취입함으로써, 미분탄의 연소에 필요한 산소를 확보할 수 있어 연소성이 더욱 향상된다. 또, 랜스의 출구 유속을 20 ∼ 120 m/sec 로 하여 랜스의 변형을 방지한다.

Description

고로 조업 방법{METHOD FOR OPERATING A BLAST FURNACE}
본 발명은, 고로 트위어로부터 미분탄 등의 고체 환원재와, LNG (Liquefied Natural Gas : 액화 천연 가스) 등의 이연성 (易燃性) 환원재를 취입하여, 연소 온도를 상승시킴으로써 생산성의 향상 및 환원재 원단위의 저감을 도모하는 고로의 조업 방법에 관한 것이다.
최근, 탄산 가스 배출량의 증가에 의한 지구 온난화가 문제가 되고 있어, 제철업에 있어서도 배출 CO2 의 억제는 중요한 과제이다. 이것을 수용하여 최근의 고로 조업에서는, 저환원재비 (저 RAR : Reducing Agent Rate 의 줄임말로, 선철 1 t 제조당의, 트위어로부터의 취입 환원재와 노정 (爐頂) 으로부터 장입되는 코크스의 합계량) 조업이 강력하게 추진되고 있다. 고로는, 주로 코크스 및 트위어로부터 취입하는 미분탄을 환원재로서 사용하고 있어, 저환원재비, 나아가서는 탄산 가스 배출 억제를 달성하기 위해서는 코크스 등을 폐플라스틱, LNG, 중유 등의 수소 함유율이 높은 환원재로 치환하는 방책이 유효하다. 하기 특허문헌 1 에서는, 트위어로부터 환원재를 취입하는 랜스를 2 개 이상 사용하여, LNG 등의 이연성 환원재와 미분탄 등의 고체 환원재를 상이한 랜스로부터 취입하는 경우, 이연성 환원재를 취입하는 랜스의 연장선과 고체 환원재를 취입하는 랜스의 연장선이 교차하지 않도록 그들 랜스를 배치하는 것이 기재되어 있다.
일본 공개특허공보 2006-291251호
상기 특허문헌 1 에 기재된 고로 조업 방법도, 종래의 미분탄만을 트위어로부터 취입하는 방법에 비하면, 연소 온도의 향상이나 환원재 원단위의 저감에 효과가 있지만, 추가적인 개량의 여지가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점에 주목하어 이루어진 것으로, 한층 더 연소 온도의 향상 및 환원재 원단위의 저감을 가능하게 하는 고로 조업 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 양태에 관련된 고로 조업 방법은, 트위어로부터 환원재를 취입하기 위한 랜스를 2 개 이상 사용하여, 고체 환원재와 이연성 환원재를 상이한 랜스로부터 취입하는 경우, 고체 환원재를 취입하는 랜스의 선단으로부터 연장된 당해 랜스의 축선과 이연성 환원재를 취입하는 랜스의 선단으로부터 연장된 당해 랜스의 축선이 교차하고, 또한 취입되는 고체 환원재의 주흐름과 취입되는 이연성 환원재의 주흐름이 겹치도록 고체 환원재를 취입하는 랜스와 이연성 환원재를 취입하는 랜스를 배치하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 상기 고체 환원재를 취입하는 랜스와 이연성 환원재를 취입하는 랜스의 직경 방향의 상대 거리가 20 ㎜ 이하이고 축선이 교차하고 있는 것이 바람직하다.
또, 상기 고체 환원재를 취입하는 랜스와 이연성 환원재를 취입하는 랜스의 직경 방향의 상대 거리가 13 ㎜ 이하이고 축선이 교차하고 있는 것이 보다 바람직하다.
또, 상기 고체 환원재를 취입하는 랜스와 이연성 환원재를 취입하는 랜스의 직경 방향의 상대 거리가 10 ㎜ 이하이고 축선이 교차하고 있는 것이 가장 바람직하다.
또, 상기 고체 환원재를 취입하는 랜스와 이연성 환원재를 취입하는 랜스의 직경 방향의 상대 거리가 0 이고 축선이 교차하고 있는 것이 바람직하다.
또, 상기 랜스 중, 고체 환원재를 취입하는 랜스의 출구 유속을 20 ∼ 120 m/sec 로 하는 것이 바람직하다.
또, 상기 고체 환원재를 취입하는 랜스를 이중관 랜스로 하여, 당해 이중관 랜스의 내측관으로부터 고체 환원재를 취입함과 함께 당해 이중관 랜스의 외측관으로부터 지연성 (支燃性) 가스를 취입하고, 이연성 환원재를 단관 랜스로부터 취입하는 것이 바람직하다. 지연성 가스로는, 산소 농도가 50 ％ 이상인 산소 부화 공기가 바람직하다.
또, 상기 이중관 랜스의 외측관의 출구 유속 및 상기 단관 랜스의 출구 유속을 20 ∼ 120 m/sec 로 하는 것이 바람직하다.
또, 상기 고체 환원재가 미분탄인 것이 바람직하다.
또, 상기 고체 환원재의 미분탄에 폐플라스틱, 폐기물 고형 연료, 유기성 자원, 폐재를 혼합하는 것이 바람직하다.
또, 상기 고체 환원재의 미분탄의 비율을 80 mass％ 이상으로 하여, 폐플라스틱, 폐기물 고형 연료, 유기성 자원, 폐재를 혼합 사용하는 것이 바람직하다.
또, 상기 이연성 환원재가 LNG, 도시 가스, 수소, 전로 가스, 고로 가스, 코크스로 가스인 것이 바람직하다.
그리하여, 본 발명의 일 양태에 관련된 고로 조업 방법에 의하면, 상이한 랜스로부터 취입되는 이연성 환원재와 고체 환원재의 흐름이 겹치고, 이연성 환원재가 O2 에 접촉하여 먼저 연소됨으로써 폭발적으로 확산됨과 함께 고체 환원재가 대폭 온도 상승하고, 이로써 연소 온도가 대폭 향상되고, 따라서 환원재 원단위를 저감시킬 수 있다.
또, 랜스로부터 취입되는 가스의 출구 유속을 20 ∼ 120 m/sec 로 함으로써, 승온에 의한 랜스의 변형을 방지할 수 있다.
또, 고체 환원재를 취입하는 랜스를 이중관 랜스로 하고, 이중관 랜스의 내측관으로부터 고체 환원재를 취입하고, 외측관으로부터 지연성 가스를 취입함으로써, 고체 환원재의 연소에 필요한 산소를 확보할 수 있다.
또, 이중관 랜스의 외측관의 출구 유속 및 상기 단관 랜스의 출구 유속을 20 ∼ 120 m/sec 로 함으로써, 승온에 의한 랜스의 변형을 방지할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 고로 조업 방법이 적용된 고로의 일 실시형태를 나타내는 종단면도이다.
도 2 는, 도 1 의 랜스로부터 미분탄만을 취입하였을 때의 연소 상태의 설명도이다.
도 3 은, 도 2 의 미분탄의 연소 메커니즘의 설명도이다.
도 4 는, 미분탄과 LNG 를 취입하였을 때의 연소 메커니즘의 설명도이다.
도 5 는, 연소 실험 장치의 설명도이다.
도 6 은, 연소 실험 결과의 설명도이다.
도 7 은, 랜스끼리의 직경 방향의 상대 거리를 변화시켰을 때의 착화점까지의 거리의 설명도이다.
도 8 은, 2 개의 랜스의 직경 방향의 상대 거리가 클 때의 미분탄 흐름 및 LNG 흐름의 개념도이다.
도 9 는, 2 개의 랜스의 직경 방향의 상대 거리가 작을 때의 미분탄 흐름 및 LNG 흐름의 개념도이다.
도 10 은, 랜스의 연장선이 교차하는 경우로 하지 않는 경우의 연소 온도의 설명도이다.
도 11 은, 이중관 랜스의 연장선이 교차하는 경우로 하지 않는 경우의 연소 온도의 설명도이다.
도 12 는, 랜스의 출구 유속과 랜스 표면 온도의 관계를 나타내는 설명도이다.
다음으로, 본 발명의 고로 조업 방법의 일 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1 은, 본 실시형태의 고로 조업 방법이 적용된 고로의 전체 도면이다. 도면에 나타내는 바와 같이, 고로 (1) 의 트위어 (3) 에는 열풍을 송풍하기 위한 송풍관 (2) 이 접속되고, 이 송풍관 (2) 을 관통하여 랜스 (4) 가 설치되어 있다. 트위어 (3) 의 열풍 송풍 방향 앞쪽의 코크스 퇴적층에는 레이스웨이 (5) 로 불리는 연소 공간이 존재하고, 주로 이 연소 공간에서 철광석의 환원, 즉 조선 (造銑) 이 실시된다.
도 2 에는, 랜스 (4) 로부터 고체 환원재로서 미분탄 (6) 만을 취입하였을 때의 연소 상태를 나타낸다. 랜스 (4) 로부터 트위어 (3) 를 통과하여, 레이스웨이 (5) 내에 취입된 미분탄 (6) 은, 코크스 (7) 와 함께 그 휘발분과 고정 탄소가 연소되고, 휘발분이 방출되고 남은, 일반적으로 차로 불리는 탄소와 회분의 집합체는, 레이스웨이로부터 미연 (未燃) 차 (8) 로서 배출된다. 트위어 (3) 의 열풍 송풍 방향 앞쪽에 있어서의 열풍 속도는 약 200 m/sec 이고, 랜스 (4) 의 선단으로부터 레이스웨이 (5) 내에 있어서의 O2 의 존재 영역은 약 0.3 ∼ 0.5 m 로 되어 있으므로, 실질적으로 1/1000 초의 레벨로 미분탄 입자의 승온 및 O2 와의 접촉 효율 (분산성) 의 개선이 필요해진다.
도 3 은, 랜스 (4) 로부터 송풍관 (2) 내에 미분탄 (도면에서는 PC : Pulverized Coal) (6) 만을 취입한 경우의 연소 메커니즘을 나타낸다. 트위어 (3) 로부터 레이스웨이 (5) 내에 취입된 미분탄 (6) 은, 레이스웨이 (5) 내의 화염으로부터의 복사 전열에 의해 입자가 가열되고, 또한 복사 전열, 전도 전열에 의해 입자가 급격하게 온도 상승하고, 300 ℃ 이상 승온된 시점에서 열분해가 개시되고, 휘발분에 착화되어 화염이 형성되고, 연소 온도는 1400 ∼ 1700 ℃ 에 이른다. 휘발분이 방출되면 전술한 차 (8) 가 된다. 차 (8) 는 주로 고정 탄소이므로, 연소 반응과 함께 탄소 용해 반응으로 불리는 반응도 발생한다.
도 4 는, 랜스 (4) 로부터 송풍관 (2) 내에 미분탄 (6) 과 함께 이연성 환원재로서 LNG (9) 를 취입한 경우의 연소 메커니즘을 나타낸다. 미분탄 (6) 과 LNG (9) 의 취입 방법은, 단순히 평행하게 취입한 경우를 나타내고 있다. 또한, 도면 중의 2 점 쇄선은, 도 3 에 나타낸 미분탄만을 취입한 경우의 연소 온도를 참고로 나타내고 있다. 이와 같이 미분탄과 LNG 를 동시에 취입하는 경우, 기체 가스의 LNG 가 우선적으로 연소되고, 이 연소열에 의해 미분탄이 급속하게 가열, 승온되는 것으로 생각되며, 이로써 랜스에 가까운 위치에서 연소 온도가 더욱 상승한다.
이와 같은 지견에 기초하여, 도 5 에 나타내는 연소 실험 장치를 사용하여 연소 실험을 실시하였다. 실험로 (11) 내에는 코크스가 충전되어 있고, 관측창으로부터 레이스웨이 (15) 의 내부를 관찰할 수 있다. 송풍관 (12) 에는 랜스 (14) 가 끼워 넣어져, 연소 버너 (13) 에서 발생한 열풍을 실험로 (11) 내에 소정의 송풍량으로 송풍할 수 있다. 또, 이 송풍관 (12) 에서는, 송풍의 산소 부화량을 조정할 수도 있다. 랜스 (14) 는, 미분탄 및 LNG 중 어느 일방 또는 쌍방을 송풍관 (12) 내에 취입할 수 있다. 실험로 (11) 내에서 발생한 배기 가스는, 사이클론으로 불리는 분리 장치 (16) 에 의해 배기 가스와 더스트로 분리되고, 배기 가스는 조연로 등의 배기 가스 처리 설비에 송급되고, 더스트는 포집 상자 (17) 에 포집된다.
연소 실험에는 랜스 (4) 에 단관 랜스와 이중관 랜스의 2 종류를 사용하며, 단관 랜스를 사용하여 미분탄만을 취입한 경우, 이중관 랜스를 사용하여 이중관 랜스의 내측관으로부터 미분탄을 취입하고, 이중관 랜스의 외측관으로부터 LNG 를 취입한 경우, 이중관 랜스의 내측관으로부터 LNG 를 취입하고, 이중관 랜스의 외측관으로부터 미분탄을 취입한 경우의 각각에 대해 관측창으로부터 2 색 온도계에 의한 연소 온도, 연소 위치, 미연 차의 연소 상황, 확산성을 측정하였다. 2 색 온도계는, 주지된 바와 같이, 열 방사 (고온 물체로부터 저온 물체로의 전자파의 이동) 를 이용하여 온도 계측을 실시하는 방사 온도계로, 온도가 높아지면 파장 분포가 단파장측으로 벗어나 가는 것에 주목하여, 파장 분포의 온도의 변화를 계측함으로써 온도를 구하는 파장 분포형의 하나로, 그 중에서도 파장 분포를 파악하기 위해 2 개의 파장에 있어서의 방사 에너지를 계측하고, 비율로부터 온도를 측정하는 것이다. 미연 차의 연소 상황은, 실험로 (11) 의 송풍관 (12) 내의 랜스 (14) 끝으로부터 150 ㎜, 300 ㎜ 의 위치에서 프로브로 미연 차를 회수하여, 수지 매립, 연마 후, 화상 해석에 의해 차 내 공극률을 측정하여 판정하였다.
미분탄의 제원은, 고정 탄소 (FC : Fixed Carbon) 77.8 ％, 휘발분 (VM : Volatile Matter) 13.6 ％, 회분 (Ash) 8.6 ％ 이고, 취입 조건은 29.8 ㎏/h (용선(鎔銑) 1 t 당 100 ㎏ 에 상당) 로 하였다. 또, LNG 의 취입 조건은, 3.6 ㎏/h (5 N㎥/h, 용선 1 t 당 10 ㎏ 에 상당) 로 하였다. 송풍 조건은, 송풍 온도 1200 ℃, 유량 300 N㎥/h, 유속 70 m/s, O2 부화 ＋ 5.5 (산소 농도 26.5 ％, 공기 중 산소 농도 21 ％ 에 대해 5.5 ％ 의 부화) 로 하였다. 적은 가스량으로 분체, 요컨대 미분탄을 수송하는 방식 (고농도 반송) 에서는 고기비 10 ∼ 25 ㎏/N㎥, 다량의 가스로 수송하는 방식 (저농도 수송) 에서는 고기비 5 ∼ 10 ㎏/N㎥ 이다. 반송 가스에는 공기를 사용할 수도 있다. 실험 결과의 평가는, 단관으로부터 미분탄만을 취입한 경우의 연소 온도, 연소 위치, 미연 차의 연소 상황, 확산성 (주로 미분탄) 을 기준으로 하여, 이중관 랜스의 내측관으로부터 미분탄을 취입하고, 외측관으로부터 LNG 를 취입한 경우, 이중관 랜스의 내측관으로부터 LNG 를 취입하고, 외측관으로부터 미분탄을 취입한 경우의 각각을 평가하였다. 평가는, 미분탄만인 경우와 동일한 정도인 경우를 △, 조금 개선된 경우를 ○, 대폭 개선된 경우를 ◎ 로 나타냈다.
도 6 에는 전술한 연소 실험의 결과를 나타낸다. 동 도면으로부터 분명한 바와 같이, 이중관 랜스의 내측관으로부터 미분탄을 취입하고, 외측관으로부터 LNG 를 취입하는 경우에는, 연소 위치에 대해서는 개선이 보였지만, 그 밖의 항목에 대해서는 변화가 보이지 않는다. 이것은, 미분탄의 외측의 LNG 가 먼저 O2 와 접촉하여 신속하게 연소되고, 그 연소열로 미분탄의 가열 속도가 상승하였지만, LNG 의 연소에 O2 가 소비되어 미분탄의 연소에 필요한 O2 가 감소하여, 충분한 연소 온도 상승에 이르지 못하고, 미연 차의 연소 상황도 개선되지 않은 것으로 생각된다. 한편, 이중관 랜스의 내측관으로부터 LNG 를 취입하고, 외측관으로부터 미분탄을 취입하는 경우에는, 연소 온도, 미연 차의 연소 상황에 대해 개선이 보이고, 확산성에 대해서는 대폭적인 개선이 보였지만, 연소 위치에 대해서는 변화가 보이지 않는다. 이것은, 외측의 미분탄 영역을 통한 내측의 LNG 까지의 O2 의 확산에 시간을 필요로 하였지만, 내측의 이연성의 LNG 가 연소되면, 폭발적인 확산이 일어나고, LNG 의 연소열로 미분탄이 가열되어 연소 온도도 상승하여, 미연 차의 연소 상황도 개선된 것으로 생각된다.
본원 발명자는, 이 실험 결과에 근거하여, 전술한 연소 실험 장치를 사용하여, 트위어 송풍관 내에 2 개의 단관 랜스를 서로 대향하는 측, 예를 들어 노 내측을 향하여 상하로부터 끼워 넣고, 일방의 랜스로부터는 미분탄을, 타방의 랜스로부터는 LNG 를 취입하고, 2 개의 랜스의 직경 방향의 상대 거리를 여러 가지로 변경하여 미분탄 취입 랜스에서 착화점까지의 거리를 측정하였다. 송풍에는 산소를 부화하였다. 측정 결과를 도 7 에 나타낸다. 도면의 하부의 원은, 송풍관 내를 송풍 방향 가까운 쪽에서 본 랜스의 상태를 나타내고 있다. 2 개의 랜스의 직경 방향의 상대 거리란, 도면의 부호 D 에 상당한다.
도 8 에는 2 개의 랜스의 직경 방향의 상대 거리 (D) 가 클 때의 미분탄 흐름 및 LNG 흐름의 개념도를, 도 9 에는 2 개의 랜스의 직경 방향의 상대 거리 (D) 가 작을 때의 미분탄 흐름 및 LNG 흐름의 개념도를 나타낸다. 2 개의 랜스의 직경 방향의 상대 거리 (D) 가 작아 랜스끼리가 접근하면, 2 개의 랜스로부터 취입되는 미분탄과 LNG 의 주흐름이 겹치기 시작하고, 미분탄 흐름이 LNG 의 연소장에 직접 둘러싸인다. 그 결과, LNG 의 연소 고온 영역에서 미분탄은 급속하게 승온되고, 또 착화 연소되기 때문에, 착화 시간이 짧아지는 현상을 일으킨다.
도 7 로부터 분명한 바와 같이, 2 개의 랜스의 직경 방향의 상대 거리 (D) 가 작을수록, 미분탄을 취입하는 랜스 (도면에서는 PC 랜스) 선단에서 착화점까지의 거리가 작아지는, 즉 연소 개시 시간이 짧아지는 것이다. 이것은, 2 개의 랜스의 직경 방향의 상대 거리가 작을수록, 취입되는 미분탄의 주흐름과 LNG 의 주흐름이 겹치기 쉽고, 그 겹치는 부분에서, 전술한 바와 같은 LNG 의 연소에 수반하는 확산이나 온도 상승이 발생하여, 미분탄이 연소되기 쉬워지는 것으로 생각된다. 또한, 연소 개시 시간이 짧으면, 연소 온도도 높아지는 것으로 생각되었다.
이 2 개의 랜스의 직경 방향의 상대 거리 단축에 수반하는 착화 시간 단축을 위해서는, 미분탄을 취입하는 랜스의 선단으로부터 연장된 당해 랜스의 축선과 LNG 를 취입하는 랜스의 선단으로부터 연장된 당해 랜스의 축선이 교차할 필요가 있지만, 완전 교차의 필요는 없고, 2 개의 랜스의 직경 방향의 상대 거리 (D) 에서 볼 때, 미분탄을 취입하는 랜스의 축선과 LNG 를 취입하는 랜스의 축선의 상대 거리 (D) 가 20 ㎜ 이내이면 착화 시간 단축을 도모할 수 있다. 또, 바람직하게는 상대 거리 (D) 를 13 ㎜ 이내, 보다 바람직하게는 상대 거리 (D) 를 10 ㎜ 이내로 함으로써, 착화 시간 단축 외에 편차도 저하시킬 수 있다. 그리고, 2 개의 랜스의 직경 방향의 상대 거리가 0 이 되면, 랜스의 연장선, 요컨대 랜스 선단으로부터 연장된 당해 랜스의 축선끼리가 완전하게 교차하고, 그 때 착화 시간이 최단이 된다.
또, LNG 를 취입하는 랜스를, 미분탄을 취입하는 랜스보다 노측 (도면의 LNG 로측), 요컨대 송풍 방향 앞쪽에 배치해도 착화 시간이 짧아지는 현상을 일으키지만, LNG 를 취입하는 랜스와 미분탄을 취입하는 랜스의 취입 선단 위치를 일치 (도면의 선단 맞춤) 시킨 경우, 또한 LNG 를 취입하는 랜스의 선단 위치가 미분탄을 취입하는 랜스의 선단 위치보다 송풍측 (도면의 LNG 송풍측), 요컨대 송풍 방향 가까운 쪽에 배치한 경우, 즉 미분탄을 취입하는 랜스가 LNG 를 취입하는 랜스보다 송풍 방향 앞쪽에 있을 때가 보다 착화 시간이 단축되는 결과를 얻었다. 즉, LNG 를 취입하는 랜스와 미분탄을 취입하는 랜스의 취입 선단 위치가 송풍 방향에서 일치, 혹은 LNG 를 취입하는 랜스의 선단 위치가 미분탄을 취입하는 랜스의 선단 위치보다 송풍 방향 가까운 쪽에 있을 때, 처음에 취입된 LNG 의 연소 주흐름 내에 미분탄이 취입되게 되어, LNG 의 연소 주흐름 내의 고온장에 의해 취입된 미분탄은 급속하게 승온되어, 착화 시간 단축이 실현되는 것이다.
그래서, 다음으로 랜스에 단관 랜스를 사용하여, 2 개의 랜스의 연장선이 교차하지 않는 상태에서 2 개의 랜스로부터 미분탄만을 취입한 경우, 동일하게 2 개의 랜스의 연장선이 교차하지 않는 상태에서 일방의 랜스로부터 미분탄을 취입하고, 타방의 랜스로부터 LNG 를 취입한 경우, 2 개의 랜스의 연장선이 20 ㎜ 이하이고 교차하는 상태에서 일방의 랜스로부터 미분탄을 취입하고, 타방의 랜스로부터 LNG 를 취입한 경우의 각각의 랜스 선단으로부터의 거리와 연소 온도를 측정하였다. 측정 결과를 도 10 에 나타낸다. 도면의 PC 편심 더블이 2 개의 랜스의 연장선이 교차하지 않는 상태에서 2 개의 랜스로부터 미분탄만을 취입한 경우를 나타내고, PC, LNG 편심이 2 개의 랜스의 연장선이 교차하지 않는 상태에서 일방의 랜스로부터 미분탄을 취입하고, 타방의 랜스로부터 LNG 를 취입한 경우를 나타내고, PC, LNG 동축이 2 개의 랜스의 연장선이 교차하는 상태에서 일방의 랜스로부터 미분탄을 취입하고, 타방의 랜스로부터 LNG 를 취입한 경우를 나타낸다. 동 도면으로부터 분명한 바와 같이, 2 개의 랜스의 연장선이 교차하는 상태에서 일방의 랜스로부터 미분탄을 취입하고, 타방의 랜스로부터 LNG 를 취입한 경우의 연소 온도가 가장 높다.
또한, 미분탄의 연소 효율을 향상시키기 위해, 미분탄을 취입하는 랜스에 이중관 랜스도 사용하며, 이중관 랜스를 사용하는 경우에는, 그 이중관 랜스의 내측관으로부터 미분탄을 취입하고, 외측관으로부터 지연성 가스로서 O2 를 취입하여, 미분탄 취입용 이중관 랜스 선단으로부터의 거리와 연소 온도를 측정하였다. LNG 는 단관 랜스로부터 취입하였다. 미분탄만을 취입하는 경우에도 단관 랜스를 사용하였다. 측정 결과를 도 11 에 나타낸다. 도면의 PC × 2 (교차하지 않음) 는, 2 개의 단관 랜스의 연장선이 교차하지 않는 상태에서 2 개의 랜스로부터 미분탄만을 취입한 경우를 나타낸다. 또, 도면의 PC, LNG (교차하지 않음) 는, 2 개의 단관 랜스의 연장선이 교차하지 않는 상태에서 일방의 랜스로부터 미분탄을 취입하고, 타방의 랜스로부터 LNG 를 취입한 경우를 나타낸다. 또, 도면의 PC, LNG (교차) 는, 2 개의 단관 랜스의 연장선이 교차하는 상태에서 일방의 랜스로부터 미분탄을 취입하고, 타방의 랜스로부터 LNG 를 취입한 경우를 나타낸다. 또, 도면의 PC ＋ O2, LNG (교차) 는, 이중관 랜스의 연장선과 단관 랜스의 연장선이 교차하는 상태에서 이중관 랜스의 내측관으로부터 미분탄을 취입하고, 그 외측관으로부터 O2 를 취입하고, 단관 랜스로부터 LNG 를 취입한 경우를 나타낸다. 동 도면으로부터 분명한 바와 같이, 2 개의 랜스의 연장선이 교차하는 상태에서 일방의 랜스로부터 미분탄을 취입하고, 타방의 랜스로부터 LNG 를 취입한 경우의 연소 온도가 높고, 2 개의 랜스의 연장선이 교차하는 상태에서 이중관 랜스의 내측관으로부터 미분탄을 취입하고, 그 외측관으로부터 O2 를 취입하고, 타방의 단관 랜스로부터 LNG 를 취입한 경우가 가장 높다. 이것은, 먼저 연소되는 LNG 에 의해 소비되는 송풍 중의 O2 를 보충하여, 미분탄의 연소에 필요한 O2 를 확보하기 때문인 것으로 생각된다.
그런데, 전술한 바와 같은 연소 온도의 상승에 수반하여, 랜스는 고온에 노출되기 쉬워진다. 랜스는, 예를 들어 스테인리스강 강관으로 구성된다. 물론, 랜스에는 소위 워터 재킷으로 불리는 수랭이 실시되고 있지만, 랜스 선단까지는 덮을 수 없다. 특히, 이 수랭이 미치지 않는 랜스의 선단부가 열에 의해 변형되기 쉬운 것을 알 수 있었다. 또, LNG 를 취입하는 랜스 선단이 미분탄을 취입하는 랜스 선단보다 송풍 방향 가까운 쪽 (송풍측) 에 있을 때, 미분탄을 취입하는 랜스 선단은 LNG 의 연소 고온 영역에 들어가기 때문에, 보다 랜스가 변형되기 쉬워진다. 랜스가 변형되면, 요컨대 구부러지면 원하는 부위에 미분탄이나 LNG 를 취입할 수 없고, 소모품인 랜스의 교환 작업에 지장이 있다. 또, 미분탄의 흐름이 변화되어 트위어에 닿는 것도 생각할 수 있으며, 그와 같은 경우에는 트위어가 손상될 우려가 있다. 랜스가 구부러져 폐색되고, 그 결과, 랜스 내의 가스가 흐르지 않게 되면, 랜스가 용손 (溶損) 되고, 경우에 따라서는 송풍관이 파손될 가능성도 있다. 랜스가 변형되거나 손모되거나 하면, 전술한 바와 같은 연소 온도를 확보할 수 없게 되고, 나아가서는 환원재 원단위를 저감시킬 수도 없다.
수랭할 수 없는 랜스를 냉각시키기 위해서는, 내부에 송급되는 가스로 방열시킬 수 밖에 없다. 내부에 흐르는 가스에 방열시켜 랜스 자체를 냉각시키는 경우, 가스의 유속이 랜스 온도에 영향을 주는 것으로 생각된다. 그래서, 본 발명자들은, 랜스로부터 취입되는 가스의 유속을 여러 가지로 변경하여 랜스 표면의 온도를 측정하였다. 실험에는 이중관 랜스를 사용하여, 이중관 랜스의 외측관으로부터 O2 를 취입하고, 내측관으로부터 미분탄을 취입하여 실시하고, 가스의 유속 조정은, 외측관으로부터 취입되는 O2 의 공급량을 가감하였다. 또한, O2 는 산소 부화 공기여도 되고, 2 ％ 이상, 바람직하게는 10 ％ 이상의 산소 부화 공기를 사용한다. 산소 부화 공기를 사용함으로써, 냉각 외에 미분탄의 연소성의 향상을 도모한다. 측정 결과를 도 12 에 나타낸다.
이중관 랜스의 외측관에는 20A 스케줄 5S 로 불리는 강관을 사용하였다. 또, 이중관 랜스의 내측관에는 15A 스케줄 90 으로 불리는 강관을 사용하여, 외측관으로부터 취입되는 O2 와 N2 의 합계 유속을 여러 가지로 변경하여 랜스 표면의 온도를 측정하였다. 이와 관련하여, 「15A」, 「20A」는 JIS G 3459 에 규정하는 강관 외경의 칭호 치수로, 15A 는 외경 21.7 ㎜, 20A 는 외경 27.2 ㎜ 이다. 또, 「스케줄」은 JIS G 3459 에 규정하는 강관의 두께의 칭호 치수로, 20A 스케줄 5S 는 1.65 ㎜, 15A 스케줄 90 은 3.70 ㎜ 이다. 또한, 스테인리스강 강관 외에 보통 강도 이용할 수 있다. 그 경우의 강관의 외경은 JIS G 3452 에 규정되고, 두께는 JIS G 3454 에 규정된다.
동 도면에 2 점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 이중관 랜스의 외측관으로부터 취입되는 가스의 유속의 증가에 수반하여 랜스 표면의 온도가 반비례적으로 저하되어 있다. 강관을 이중관 랜스에 사용하는 경우, 이중관 랜스의 표면 온도가 880 ℃ 를 상회하면 크리프 변형이 일어나고, 이중관 랜스가 구부러진다. 따라서, 이중관 랜스의 외측관에 20A 스케줄 5S 의 강관을 사용하고, 이중관 랜스의 표면 온도가 880 ℃ 이하인 경우의 이중관 랜스의 외측관의 출구 유속은 20 m/sec 이상이 된다. 그리고, 이중관 랜스의 외측관의 출구 유속이 20 m/sec 이상인 경우에는 이중관 랜스에 변형이나 굽힘은 일어나지 않는다. 한편, 이중관 랜스의 외측관의 출구 유속이 120 m/sec 를 초과하거나 하면, 설비의 운용 비용의 면에서 실용적이지 않으므로, 이중관 랜스의 외측관의 출구 유속의 상한을 120 m/sec 로 하였다. 이 결과는, 마찬가지로 수랭이 미치지 않는 단관 랜스의 선단부에서도 동일하게 작용하기 때문에, 단관 랜스의 출구 유속도 20 ∼ 120 m/sec 로 규정하였다. 또한, 단관 랜스는 이중관 랜스에 비해 열 부하가 적기 때문에, 필요에 따라 출구 유속을 20 m/sec 이상으로 하면 된다.
상기 실시형태에서는, 미분탄의 평균 입자경은 10 ∼ 100 ㎛ 로 사용되지만, 연소성을 확보하고, 랜스로부터의 송급 그리고 랜스까지의 공급성을 고려하였을 때, 바람직하게는 20 ∼ 50 ㎛ 로 하면 된다. 미분탄의 평균 입자경이 20 ㎛ 미만에서는, 연소성은 우수하지만, 미분탄 수송시 (기체 수송) 에 랜스가 막히기 쉽고, 50 ㎛ 를 초과하면 미분탄 연소성이 악화될 우려가 있다.
또, 취입하는 고체 환원재에는, 미분탄을 주로 하고 그 중에 폐플라스틱, 폐기물 고형 연료 (RDF), 유기성 자원 (바이오매스), 폐재를 혼합 사용해도 된다. 혼합 사용시에는, 미분탄의 전체 고체 환원재에 대한 비는 80 mass％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 미분탄과, 폐플라스틱, 폐기물 고형 연료 (RDF), 유기성 자원 (바이오매스), 폐재 등에서는 반응에 의한 열량이 상이하기 때문에, 서로의 사용 비율이 가까워지면 연소에 편향이 발생하기 쉬워져, 조업이 불안정해지기 쉽다. 또, 미분탄과 비교하여, 폐플라스틱, 폐기물 고형 연료 (RDF), 유기성 자원 (바이오매스), 폐재 등은 연소 반응에 의한 발열량이 저위이기 때문에, 다량으로 취입하면 노정으로부터 장입되는 고체 환원재에 대한 대체 효율이 저하되기 때문에, 미분탄의 비율을 80 mass％ 이상으로 하는 것이 바람직한 것이다.
또한, 폐플라스틱, 폐기물 고형 연료 (RDF), 유기성 자원 (바이오매스), 폐재는 6 ㎜ 이하, 바람직하게는 3 ㎜ 이하의 세립으로 하여 미분탄과 혼합 사용할 수 있다. 미분탄과의 비율은, 반송 가스에 의해 기송 (氣送) 되는 미분탄과 합류시킴으로써 혼합할 수 있다. 미리 미분탄과 혼합하여 사용해도 상관없다.
또한, 상기 실시형태에서는, 이연성 환원재로서 LNG 를 사용하여 설명하였지만, 도시 가스도 사용할 수 있으며, 그 밖의 이연성 환원재로는, 도시 가스, LNG 이외에 프로판 가스, 수소 외에 제철소에서 발생하는 전로 가스, 고로 가스, 코크스로 가스를 사용할 수도 있다. 또한, LNG 와 등가로서 셰일 가스 (shale gas) 도 이용할 수 있다. 셰일 가스는 혈암 (셰일) 층으로부터 채취되는 천연 가스로, 종래의 가스전이 아닌 장소로부터 생산되는 점에서 비재래형 천연 가스 자원으로 불리고 있는 것이다.
이와 같이, 본 실시형태의 고로 조업 방법에서는, 트위어로부터 환원재를 취입하는 랜스를 2 개 이상 사용하여, LNG (이연성 환원재) 를 취입하는 랜스의 선단으로부터 연장된 당해 랜스의 축선과 미분탄 (고체 환원재) 을 취입하는 랜스의 선단으로부터 연장된 당해 랜스의 축선이 교차하도록 랜스를 배치하였기 때문에, 상이한 랜스로부터 취입되는 LNG (이연성 환원재) 와 미분탄 (고체 환원재) 의 주흐름이 겹치고, LNG (이연성 환원재) 가 O2 에 접촉하여 먼저 연소됨으로써 폭발적으로 확산됨과 함께 미분탄 (고체 환원재) 의 온도가 대폭 상승하고, 이로써 연소 온도가 대폭 향상되고, 따라서 환원재 원단위를 저감시킬 수 있다.
또, 랜스 중, 미분탄 (고체 환원재) 을 취입하는 랜스로부터 취입되는 가스의 출구 유속을 20 ∼ 120 m/sec 로 함으로써, 승온에 의한 랜스의 변형을 방지할 수 있다.
또, 미분탄 (고체 환원재) 을 취입하는 랜스를 이중관 랜스로 하고, 이중관 랜스의 내측관으로부터 미분탄 (고체 환원재) 을 취입하고, 외측관으로부터 산소 (지연성 가스) 를 취입함으로써, 고체 환원재의 연소에 필요한 산소를 확보할 수 있다.
또, 이중관 랜스의 외측관의 출구 유속 및 상기 단관 랜스의 출구 유속을 20 ∼ 120 m/sec 로 함으로써, 승온에 의한 랜스의 변형을 방지할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 환원재를 취입하는 랜스를 2 개 사용하였지만, 랜스는 2 개 이상이면 몇 개 사용해도 된다. 또, 랜스에는 이중관 랜스를 사용해도 된다. 이중관 랜스를 사용하는 경우에는, 산소 등의 지연성 가스와 이연성 환원재를 취입하도록 해도 된다. 필요한 것은, 그 중 이연성 환원재를 취입하는 랜스의 선단으로부터 연장된 당해 랜스의 축선과, 고체 환원재를 취입하는 랜스의 선단으로부터 연장된 당해 랜스의 축선이 교차하고, 또한 취입되는 이연성 환원재의 주흐름과 고체 환원재의 주흐름이 겹치도록 랜스를 배치하는 것이다.
1 : 고로, 2 : 송풍관, 3 : 트위어, 4 : 랜스, 5 : 레이스웨이, 6 : 미분탄 (고체 환원재), 7 : 코크스, 8 : 차, 9 : LNG (이연성 환원재)

Claims (12)

  1. 트위어로부터 환원재를 취입하기 위한 랜스를 2 개 이상 사용하여, 고체 환원재와 이연성 환원재를 상이한 랜스로부터 취입하는 경우, 고체 환원재를 취입하는 랜스의 선단으로부터 연장된 당해 랜스의 축선과 이연성 환원재를 취입하는 랜스의 선단으로부터 연장된 당해 랜스의 축선이 교차하고, 또한 취입되는 고체 환원재의 주흐름과 취입되는 이연성 환원재의 주흐름이 겹치도록 고체 환원재를 취입하는 랜스와 이연성 환원재를 취입하는 랜스를 배치하고,
    이연성 환원재를 취입하는 랜스의 선단의 위치가 고체 환원재를 취입하는 랜스의 선단의 위치보다 송풍 방향에 가까운 쪽에 배치되고,
    상기 고체 환원재를 취입하는 랜스를 이중관 랜스로 하고, 당해 이중관 랜스의 내측관으로부터 고체 환원재를 취입함과 함께 당해 이중관 랜스의 외측관으로부터 지연성 가스를 취입하고, 이연성 환원재를 단관 랜스로부터 취입하고,
    상기 이중관 랜스에 변형이나 굽힘이 일어나지 않도록 하기 위해 상기 이중관 랜스의 외측관의 출구 유속을 20 ∼ 120 m/sec 로 하는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체 환원재를 취입하는 랜스와 이연성 환원재를 취입하는 랜스의 직경 방향의 상대 거리가 20 ㎜ 이하이고 축선이 교차하고 있는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고체 환원재를 취입하는 랜스와 이연성 환원재를 취입하는 랜스의 직경 방향의 상대 거리가 13 ㎜ 이하이고 축선이 교차하고 있는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고체 환원재를 취입하는 랜스와 이연성 환원재를 취입하는 랜스의 직경 방향의 상대 거리가 10 ㎜ 이하이고 축선이 교차하고 있는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고체 환원재를 취입하는 랜스와 이연성 환원재를 취입하는 랜스의 직경 방향의 상대 거리가 0 이고 축선이 교차하고 있는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 랜스 중, 고체 환원재를 취입하는 랜스의 출구 유속을 20 ∼ 120 m/sec 로 하는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 단관 랜스의 출구 유속을 20 ∼ 120 m/sec 로 하는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고체 환원재가 미분탄인 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 고체 환원재의 미분탄에 폐플라스틱, 폐기물 고형 연료, 유기성 자원, 폐재를 혼합하는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 고체 환원재의 미분탄의 비율을 80 mass％ 이상으로 하여, 폐플라스틱, 폐기물 고형 연료, 유기성 자원, 폐재를 혼합 사용하는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 이연성 환원재가 LNG, 셰일 가스, 도시 가스, 수소, 전로 가스, 고로 가스, 코크스로 가스인 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
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