TW202129015A - 高爐之操作方法及高爐附帶設備 - Google Patents

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Abstract

本發明之高爐之操作方法具有如下步驟：使用自高爐排出之副產氣體、及焦炭爐氣體，生成再生甲烷氣體之步驟；以及自高爐之風口向高爐內吹入送風氣體及還原材料之步驟；使用氧氣作為送風氣體，且於還原材料之至少一部分使用再生甲烷氣體。

Description

高爐之操作方法及高爐附帶設備
本發明係關於一種高爐之操作方法及高爐附帶設備。
近年來，於地球環境問題日益嚴重之背景下，業界強烈要求削減二氧化碳(CO2 )之排放量。因此，於操作設置在煉鐵廠內之高爐時，亦要求進行低還原材料比(低RAR(Reducing Agent Rate))操作。
普通高爐中，自風口將熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體吹入高爐內。藉此，熱風中之氧與成為還原材料之焦炭或粉煤反應，生成一氧化碳(CO)氣體及氫(H2 )氣。藉由該等一氧化碳氣體及氫氣，將裝入高爐內之鐵礦石還原。又，於該鐵礦石之還原反應中，產生二氧化碳。 再者，送風氣體係自風口吹入高爐內之氣體。送風氣體於高爐內亦發揮將粉煤或焦炭氣體化之作用。
作為於此種高爐之操作中削減二氧化碳排放量之技術，提出有以下技術：將自高爐等排出之副產氣體中所包含之一氧化碳或二氧化碳重組，生成甲烷或乙醇等烴，並將生成之烴作為還原材料再次導入高爐中。
例如，於專利文獻1中，揭示有 「一種高爐之操作方法，其特徵在於具有：步驟(A)，其係自包含CO2 及/或CO之混合氣體中分離回收CO2 及/或CO；步驟(B)，其係對該步驟(A)中分離回收之CO2 及/或CO添加氫，將CO2 及/或CO轉換為CH4 ；步驟(C)，其係自經過該步驟(B)所得之氣體中分離去除H2 O；及步驟(D)，其係將經過該步驟(C)所得之氣體吹入高爐內。」。
又，於專利文獻2中，揭示有 「一種高爐操作方法，其特徵在於：自使用高爐氣體作為燃料之一部分或全部之燃燒爐之廢氣中分離CO2 ，將分離出之CO2 重組為甲烷而獲得還原氣體，將所獲得之還原氣體吹入高爐中。」。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2011-225969號公報 專利文獻2：日本專利特開2014-005510號公報
(發明所欲解決之問題)
然而，關於專利文獻1及2之技術，當作為還原材料吹入高爐中之甲烷之量達到一定以上時，有時會引起高爐下部之熱效率不足、壓力損失上升、出渣不良等操作故障。 因此，要求開發一種能於穩定之操作下進一步削減來自高爐之二氧化碳之排放量的高爐之操作方法。
本發明係鑒於上述現狀而開發者，目的在於提供一種能於穩定之操作下進一步削減來自高爐之二氧化碳之排放量的高爐之操作方法。 又，本發明之目的在於提供一種用於上述高爐之操作方法之高爐附帶設備。 (解決問題之技術手段)
於是，本發明者等人為了達成上述目的，反覆進行了銳意研究。 首先，本發明者等人對專利文獻1及2之技術中當作為還原材料吹入高爐中之甲烷量達到一定以上時產生操作故障的原因進行了研究。 其結果，獲得了以下見解。 當作為還原材料吹入高爐中之甲烷量達到一定以上時，於風口之出口附近產生之燃燒區域(風徑區)，吹入還原材料及焦炭燃燒所產生之火焰之溫度(以下，亦稱為風口端溫度)大幅度降低。而且，該風口端溫度之降低導致產生高爐下部之熱效率不足、壓力損失上升、出渣不良等操作故障。
即，於自風口作為還原材料將粉煤吹入高爐內之情況下，由於粉煤之主成分為碳，故於風徑區中發生如下反應。 C+0.5O2 =CO+110.5 kJ/mol 另一方面，於自風口將甲烷作為還原材料吹入高爐內之情況下，於風徑區發生如下反應。 CH4 +0.5O2 =CO+2H2 +35.7 kJ/mol 若將該反應時所產生之熱量按CO及H2 之合計量之每1莫耳換算，則為11.9 kJ/mol。 為了使高爐之操作穩定，必須將風口端溫度控制為2000℃～2400℃之範圍。然而，若將吹入高爐內之大部分還原材料自粉煤置換成甲烷氣體，則因上述反應熱之差導致風口端溫度降低。其結果，無法將風口端溫度控制於上述範圍內，而產生各種操作故障。
因此，本發明者等人基於上述見解，進一步反覆進行了研究。 結果發現：藉由使用氧氣而並非熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體，即便吹入高爐內之還原材料使用大量甲烷，亦可有效地防止風口端溫度降低。而且，獲得以下見解：藉由從自高爐排出之副產氣體(以下，亦稱為高爐氣體)再生此種甲烷，將該再生甲烷(再生甲烷氣體)作為還原材料再次吹入高爐內，能夠進一步削減來自高爐之二氧化碳之排放量，且實現穩定之高爐之操作。 又，藉由使用氧濃度尤其高之氧氣作為送風氣體，高爐氣體中所包含之氮之量大幅度降低。其結果，獲得以下見解：不需要自該高爐氣體分離一氧化碳或二氧化碳之步驟，於設備之小型化之方面亦極為有利。
再者，關於藉由使用氧氣作為送風氣體，即便於吹入高爐內之還原材料使用大量甲烷，亦能夠將風口端溫度控制為2000℃～2400℃之範圍，本發明者等人對其理由作如下考慮。 即，於使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體之情況下，燃燒氣體中包含不參與燃燒反應之50體積%左右之氮，故而風徑區中之火焰溫度難以達到高溫。因此，若將吹入高爐內之大部分還原材料自粉煤置換為甲烷氣體，則因上述粉煤-氧反應中之反應熱與甲烷氣體-氧反應中之反應熱的差，導致風口端溫度降低，甚至導致風口端溫度低於適當溫度之下限2000℃。 另一方面，藉由使用氧氣作為送風氣體，可抑制不參與燃燒反應之氮氣混入，故而能夠將風口端溫度充分升高。即，與使用熱風之情況相比，可使風徑區中之火焰之溫度變高，因此，即便於自風口吹入大量甲烷作為還原材料之情況下，亦能夠將風口端溫度控制為適當範圍之2000℃～2400℃之範圍。
又，為了自高爐氣體再生甲烷，必須使高爐氣體中所包含之一氧化碳或二氧化碳與氫反應。 然而，為了將自於日本為主流之5,000 m3 級之大型高爐所產生之高爐氣體全部再生為甲烷，需要60,000 m3 /h左右之氫。然而，自煉鐵廠外部籌措此種大量之氫極為困難。
關於該方面，本發明者等人亦反覆進行了研究，獲得以下見解：利用自焦炭爐排出之副產氣體(以下，亦稱為焦炭爐氣體)作為生成再生甲烷氣體所需要之氫氣之供給源較為有利。 即，焦炭爐氣體中除了包含氫以外，還包含甲烷。因此，藉由將焦炭爐氣體使用於生成再生甲烷氣體，能夠降低自高爐氣體生成甲烷所需要之氫量，尤其自外部供給之氫量。又，於焦炭爐中，可有效利用於將煤乾餾製造焦炭時次要地產生之氫，故而能夠構築更高效率之資源循環系統。 本發明係基於上述見解，進一步進行研究而完成者。
即，本發明之主旨構成如下。 1.一種高爐之操作方法，其具有如下步驟： 使用屬於自上述高爐排出之副產氣體的高爐氣體、及屬於自焦炭爐排出之副產氣體的焦炭爐氣體，生成再生甲烷氣體之步驟；以及 自上述高爐之風口向上述高爐內吹入送風氣體及還原材料之步驟； 使用氧氣作為上述送風氣體，且於上述還原材料之至少一部分使用上述再生甲烷氣體。
2.如上述1之高爐之操作方法，其中，上述還原材料中之循環碳原子之基本單位為60 kg/t以上。 此處，所謂循環碳原子之基本單位，係指於製造熔鐵1 t時作為還原材料吹入高爐內之再生甲烷氣體之碳換算質量，且藉由下式而求出。 [循環碳原子之基本單位(kg/t)]=[作為還原材料吹入高爐內之再生甲烷氣體中之甲烷之質量(kg)]×(12/16)÷[熔鐵製造量(t)]
3.如上述1或2之高爐之操作方法，其中，上述焦炭爐氣體之基本單位為140 Nm3 /t以下。 此處，所謂焦炭爐氣體之基本單位，係指於製造熔鐵1 t時生成再生甲烷氣體之步驟中所使用之焦炭爐氣體之量。
4.如上述1至3中任一項之高爐之操作方法，其中，上述氧氣之氧濃度為80體積%以上。
5.如上述1至4中任一項之高爐之操作方法，其中，自上述高爐氣體之一部分生成上述再生甲烷氣體，將上述高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
6.如上述1至5中任一項之高爐之操作方法，其中，將上述再生甲烷氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
7.一種高爐附帶設備，其係用於如上述1至6中任一項之高爐之操作方法者；其具備： 甲烷氣體生成裝置，其使用上述高爐氣體及上述焦炭爐氣體，生成上述再生甲烷氣體；以及 氣體吹入裝置，其具有將上述再生甲烷氣體導入上述高爐之風口之甲烷氣體供給部、及將上述氧氣導入上述高爐之風口之氧氣供給部。 (對照先前技術之功效)
根據本發明，能於穩定之操作下，進一步削減來自高爐之二氧化碳(CO2 )之排放量。又，能夠構築高效率之資源循環系統。另外，藉由使用自高爐氣體生成之甲烷氣體，亦能夠削減焦炭及粉煤，即屬於有限之化石燃料之煤之使用量。 進而，由於自高爐排出之副產氣體中之氮之量大幅度減少，故不需要自副產氣體分離一氧化碳或二氧化碳之步驟，換言之，不需要巨大之變壓吸附法(PSA，Pressure Swing Adscorption)分離裝置等，於設備之小型化之方面亦極為有利。 另外，由於焦炭爐氣體中除了包含氫以外還包含甲烷，故而藉由將焦炭爐氣體使用於生成再生甲烷氣體，亦能夠降低自高爐氣體生成甲烷所需要之氫量。
基於以下之實施形態對本發明進行說明。 本發明之一實施形態係一種高爐之操作方法，其具有如下步驟： 使用屬於自上述高爐排出之副產氣體的高爐氣體、及屬於自焦炭爐排出之副產氣體的焦炭爐氣體，生成再生甲烷氣體；以及 自上述高爐之風口向上述高爐內吹入送風氣體及還原材料； 使用氧氣作為上述送風氣體，且於上述還原材料之至少一部分使用上述再生甲烷氣體。
首先，以將本發明之一實施形態之高爐之操作方法應用於圖1中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備之情況為例進行說明。 圖中，符號1係高爐，2係風口，3係甲烷氣體生成裝置，3-1係焦炭爐，4係氣體吹入裝置，5係第1脫水裝置，6係第2脫水裝置，7係燃燒器。 再者，此處所謂高爐包括豎式還原爐等。
[高爐之操作方法] 於本發明之一實施形態之高爐之操作方法中，自高爐之爐頂部向高爐內裝入成為原料之燒結礦、塊狀礦石、團礦(以下，亦稱為礦石原料)或焦炭等(未圖示)。又，自設置於高爐下部之風口2向高爐1內吹入送風氣體與還原材料。再者，為了與焦炭加以區別，將自風口2向高爐1內吹入之還原材料亦稱為吹入還原材料。 然後，藉由利用送風氣體與還原材料之反應所產生之一氧化碳氣體或氫氣，將裝入高爐1內之礦石原料還原。於該礦石原料之還原反應中，產生二氧化碳。然後，該二氧化碳係同未與礦石原料發生反應之一氧化碳及氫等一起作為副產氣體自高爐之爐頂部排出。高爐之爐頂部成為2.5氣壓左右之高壓條件。因此，屬於自該高爐之爐頂部排出之副產氣體的高爐氣體恢復為常壓時發生膨脹冷卻，而使水蒸氣冷凝。然後，於第1脫水裝置5中，將該冷凝水去除。
繼而，將高爐氣體之至少一部分導入甲烷氣體生成裝置3中。而且，於甲烷氣體生成裝置3中，使高爐氣體中所包含之一氧化碳及二氧化碳與氫反應，生成甲烷(CH4 )氣體。此處，將使高爐氣體反應所得之甲烷氣體稱為再生甲烷氣體。 再者，生成再生甲烷氣體所使用之氫氣亦可並非氫濃度為100體積%之氣體，為了使再生甲烷氣體之甲烷濃度為高濃度，較佳為使用氫濃度較高之氣體，具體而言，氫濃度為80體積%以上之氫氣。氫濃度更佳為90體積%以上，進而較佳為95體積%以上。氫濃度亦可為100體積%。作為氫以外之其餘氣體，可舉例如CO或CO2 、H2 S、CH4 、N2 等。
而且，於生成再生甲烷氣體時所使用之氫氣供給源之至少一部分使用焦炭爐氣體。 其原因在於， ・由於焦炭爐氣體除了包含氫以外還包含甲烷，故而藉由將焦炭爐氣體使用於生成再生甲烷氣體，能夠降低自高爐氣體生成甲烷所需之氫量、尤其是自外部供給之氫量， ・又，於焦炭爐3-1中，由於可有效利用在將煤乾餾製造焦炭時次要地產生之氫，故而能夠構築更高效率之資源循環系統。
此處，生成再生甲烷氣體時所使用(導入至甲烷氣體生成裝置3)之焦炭爐氣體通常包含氫50～60體積%，甲烷25～30體積%，其餘氣體10～25體積%。作為其餘氣體，可舉例如甲烷以外之烴Cn Hm 或CO、CO2 、N2 等。其餘氣體中所包含之甲烷以外之烴Cn Hm 或CO、CO2 係於甲烷氣體生成裝置3中與氫反應，成為甲烷(該甲烷亦包含於再生甲烷氣體)。 又，將焦炭爐氣體中所包含之甲烷與氫一起導入至甲烷氣體生成裝置3，並直接作為再生甲烷氣體導入至氣體吹入裝置4。 即，於再生甲烷氣體中直接含有焦炭爐氣體中所包含之甲烷。
再者，剛自焦炭爐3-1排出之後之氣體(以下，稱為未精製之焦炭爐氣體)中含有焦油、氨、硫化氫、萘等成分。因此，在使用於生成再生甲烷氣體(導入至甲烷氣體生成裝置3)前，將該等成分自未精製之焦炭爐氣體去除。 又，由於未精製之焦炭爐氣體中包含CO或CO2 ，故而亦可根據需要藉由PSA(物理吸附)等而分離CO或CO2 。 再者，於本說明中，於簡稱為「焦炭爐氣體」之情況下，並非未精製之焦炭爐氣體，係指將焦油、氨、硫化氫、萘等成分、及根據需要CO或CO2 經去除之焦炭爐氣體(換言之，生成再生甲烷氣體時所使用(導入至甲烷氣體生成裝置3)之焦炭爐氣體)。
另外，焦炭爐氣體之基本單位(製造1 t熔鐵時，生成再生甲烷氣體之步驟中所使用之焦炭爐氣體之量)較佳為140 Nm3 /t以下。即，若焦炭爐氣體之基本單位超過140 Nm3 /t，則存在煉鐵廠內過剩地生產焦炭，而CO2 排放量之削減效果變小之情況。 另一方面，自提高資源循環效率，甚至儘量降低自外部供給之氫氣之使用之觀點而言，焦炭爐氣體之基本單位較佳為70 Nm3 /t以上。焦炭爐氣體之基本單位更佳為105 Nm3 /t以上。
再者，關於生成再生甲烷氣體時所使用之氫氣之不足量，只要自外部供給、或藉由水之電解而生成即可。作為自外部供給之氫氣，可舉例如藉由將天然氣等烴利用水蒸氣重組等進行重組而製造之氫氣、藉由使液化氫氣化所獲得之氫氣、將有機氫化物脫氫而製造之氫氣等。 又，例如，如圖1所示，自外部供給之氫氣、及藉由水之電解而生成之氫氣(以下，亦稱為其他氫氣)只要藉由與焦炭爐氣體不同之生產線導入至甲烷氣體生成裝置3即可。又，亦可於甲烷氣體生成裝置3與焦炭爐3-1之間(其中，用以將焦油、氨、硫化氫、萘等成分、及根據需要CO或CO2 去除之裝置的下游側)之焦炭爐氣體流通路，連接其他氫氣之供給生產線。
繼而，藉由將再生甲烷氣體冷卻至常溫，而使再生甲烷氣體中之水蒸氣冷凝。而且，於第2脫水裝置6中，將該冷凝水去除。
繼而，將再生甲烷氣體導入氣體吹入裝置4中。氣體吹入裝置4係經由第2脫水裝置6與甲烷氣體生成裝置3連接。又，氣體吹入裝置4具有：甲烷氣體供給部，其將成為吹入還原材料之再生甲烷氣體導入高爐1之風口2；及氧氣供給部，其將成為送風氣體之氧氣導入高爐之風口。
例如，如圖2(a)所示，氣體吹入裝置4包含具有中心管4-1及外管4-3之同軸多重管。而且，向成為甲烷氣體供給部(路)之中心管內路導入甲烷氣體(再生甲烷氣體及適當為下述外部甲烷氣體)，向成為氧氣供給部(路)之中心管4-1與外管4-3之間之環狀管路導入氧氣。 又，亦可一併使用其他吹入還原材料、例如粉煤或廢塑膠、氫氣或一氧化碳氣體等還原氣體。再者，其他吹入還原材料向高爐內吹入之量合計為150 kg/t以下較為合適。此處，單位「kg/t」係指於製造1 t熔鐵時向高爐內吹入之其他吹入還原材料之量。 於使用其他吹入還原材料之情況下，亦可將其他吹入還原材料一併導入甲烷氣體供給部。又，於使用粉煤或廢塑膠作為其他吹入還原材料之情況下，較佳為與甲烷氣體供給部分開設置使粉煤或廢塑膠流通之另一還原材料供給部(路)。於該情況下，例如，如圖2(b)所示，氣體吹入裝置4包含如下同軸多重管，該同軸多重管除了具有中心管4-1及外管4-3以外，還於中心管4-1與外管4-3之間設置有內管4-2。而且，自成為另一還原材料供給部之中心管內路導入粉煤、廢塑膠等其他吹入還原材料。又，自成為甲烷氣體供給部之中心管4-1與外管4-3之間之環狀管路導入甲烷氣體，自成為氧氣供給部之內管4-2與外管4-3之間之環狀管路導入氧。 再者，若使用常溫之氧氣作為送風氣體則點燃性變差，故而較佳為使構成氣體吹入裝置4之氧氣供給部之外管之噴出部為多孔構造，以促進氧氣與吹入還原材料混合。
又，並不一定使自風口吹入高爐內之甲烷氣體(以下，亦稱為吹入甲烷氣體)全部為再生甲烷氣體，亦可配合煉鐵廠之操作使用自其他生產線供給之甲烷氣體(亦稱為外部甲烷氣體)。於該情況下，可於氣體吹入裝置4之甲烷氣體供給部連接外部甲烷氣體之供給生產線，亦可於上述其他還原材料供給部連接外部甲烷氣體之供給生產線。又，亦可於甲烷氣體生成裝置3與氣體吹入裝置4之間(較佳為第2脫水裝置6與氣體吹入裝置4之間)之再生甲烷氣體流通路連接外部甲烷氣體之供給生產線。 再者，作為外部甲烷氣體，可舉例如來自化石燃料之甲烷氣體等。
繼而，如圖2(a)及(b)所示，自氣體吹入裝置4導入之吹入甲烷氣體等吹入還原材料及氧氣於風口2內混合，該混合氣體於自風口2吹入至高爐1內後立即迅速點燃並迅速燃燒。然後，於風口2之前方之高爐內，形成屬於吹入甲烷氣體等吹入還原材料或焦炭與氧氣發生反應之區域的風徑區8。
再者，存在如下情況：當送風氣體中之氧濃度增加時，爐內氣體量變少，高爐上部之裝入物之升溫不充分。於該情況下，如圖1所示，較佳係利用燃燒器7使第1脫水裝置5下游之一部分高爐氣體燃燒，達到800℃～1000℃左右之後，向高爐爐身部吹入預熱氣體。
而且，於本發明之一實施形態之高爐之操作方法中，如上所述，重要的是使用氧氣而並非使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體。 即，於使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體之情況下，由於燃燒氣體中包含不參與燃燒反應之50體積%左右之氮，故風徑區中之火焰溫度難以達到高溫。因此，若將吹入高爐內之大部分還原材料自粉煤置換為甲烷氣體，則因上述粉煤-氧反應中之反應熱與甲烷氣體-氧反應中之反應熱的差導致風口端溫度降低，使風口端溫度低於適當溫度之下限2000℃。其結果，導致高爐下部之熱效率不足、壓力損失上升、出渣不良等操作故障。又，由於高爐氣體中包含大量氮，故於自高爐氣體生成甲烷氣體之步驟之前步驟，需要進行分離氮與一氧化碳及二氧化碳之步驟。 另一方面，藉由使用氧氣作為送風氣體，可抑制不參與燃燒反應之氮氣混入，故能夠使風口端溫度充分升高。即，與使用熱風之情況相比，可使風徑區中之火焰溫度變高。因此，於自風口吹入大量甲烷作為還原材料之情況下，亦能夠將風口端溫度控制為適當範圍2000℃～2400℃之範圍。 根據以上所述，於本發明之一實施形態之高爐之操作方法中，重要的是使用氧氣作為送風氣體。
再者，圖6中，針對使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體之條件(以下，亦稱為熱風送風條件)與使用氧氣(氧濃度：100%)作為送風氣體之條件(以下，亦稱為氧氣送風條件)，表示下述還原材料中之循環碳原子之基本單位(以下，亦簡稱為循環碳原子之基本單位)與風口端溫度之關係之一例。兩條件均於吹入還原材料全部使用再生甲烷氣體(甲烷濃度：99.5%)。 如圖6所示，可知於熱風送風條件下，當循環碳原子之基本單位為52 kg/t以上(即，再生甲烷之吹入量為97 Nm3 /t以上)時，風口端溫度會低於適當溫度之下限2000℃。如此，於一般所使用之熱風送風條件下，若將循環碳原子之基本單位設為55 kg/t以上，尤其是60 kg/t以上，則會導致風口端溫度降低，無法進行穩定之操作。 另一方面，可知於氧氣送風條件下，即便將循環碳原子之基本單位設為55 kg/t以上、進而60 kg/t以上，亦能夠將風口端溫度保持為2000℃以上。 再者，於圖6之氧氣送風條件下，循環碳原子之基本單位為55 kg/t～80 kg/t之範圍時，風口端溫度超過適當溫度之上限2400℃。其原因在於，於吹入還原材料全部使用再生甲烷，而於吹入還原材料之一部分使用外部甲烷氣體之情況下，即便於循環碳原子之基本單位為55 kg/t～80 kg/t之範圍內，亦能夠將風口端溫度控制為2000℃～2400℃之範圍。又，即便於吹入還原材料全部使用再生甲烷之情況下，亦能夠藉由調整氧氣之氧濃度，而將風口端溫度控制為2000℃～2400℃之範圍。
又，氧氣中之氧濃度較佳為80體積%以上。即，若氧氣中之氧濃度較低，則有向高爐內導入之氣體量、甚至高爐之壓力損失增大，從而生產性降低之虞。又，於重複上述氣體循環期間，再生甲烷氣體中之甲烷氣體之濃度相對降低。因此，氧氣中之氧濃度較佳為80體積%以上。氧濃度更佳為90體積%以上，進而較佳為95體積%以上。尤其若氧濃度為90體積%以上，則即便於超過通常之高爐操作期間進行操作之情況下，亦能夠將再生甲烷氣體中之甲烷氣體濃度保持為高濃度(90體積%左右)而無須外部甲烷氣體之供給等，故而非常有利。氧濃度亦可為100體積%。 再者，作為氧氣中之除氧以外之其餘氣體，例如亦可包含氮、二氧化碳、氬等。
又，較佳為將再生甲烷氣體、或包含再生甲烷氣體及外部甲烷氣體之吹入甲烷氣體之甲烷濃度設為80體積%以上。 即，若吹入甲烷氣體中之甲烷濃度較低，則有向高爐內吹入之氣體量、甚至高爐之壓力損失增大，從而生產性降低之虞。又，於重複上述氣體循環期間，再生甲烷氣體中之甲烷濃度相對降低。因此，吹入甲烷氣體之甲烷濃度較佳為80體積%以上。吹入甲烷氣體之甲烷濃度更佳為90體積%以上，進而較佳為95體積%以上。吹入甲烷氣體之甲烷濃度亦可為100體積%。 根據相同之理由，再生甲烷氣體及外部甲烷氣體之甲烷濃度亦分別較佳為80體積%以上。再生甲烷氣體及外部甲烷氣體之甲烷濃度分別更佳為90體積%以上，進而較佳為95體積%以上。再生甲烷氣體及外部甲烷氣體之甲烷濃度分別亦可為100體積%。 再者，作為吹入甲烷氣體、再生甲烷氣體及外部甲烷氣體中之除甲烷以外之其餘氣體，例如亦可包含一氧化碳、二氧化碳、氫及烴、以及氮等雜質氣體。 又，於再生甲烷氣體之甲烷濃度降低之情況下，例如，藉由使吹入甲烷氣體中之再生甲烷氣體之比例降低，另一方面，使甲烷濃度較高之外部甲烷氣體之比例增加，則能夠將吹入甲烷氣體中之甲烷濃度保持得較高。
又，於本發明之一實施形態之高爐之操作方法中，較佳為將還原材料中之循環碳原子之基本單位設為55 kg/t以上，進而設為60 kg/t以上。 此處，所謂循環碳原子之基本單位，係指於製造1 t熔鐵時作為還原材料吹入高爐內之再生甲烷氣體之碳換算質量，藉由下式求出。 [循環碳原子之基本單位(kg/t)]=[作為還原材料吹入高爐內之再生甲烷氣體中之甲烷之質量(kg)]×(12/16)÷[熔鐵製造量(t)]
為了實現高爐之穩定操作，通常需要將風口端溫度控制為2000℃～2400℃之範圍。因此，於使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體之情況下，為了將風口端溫度保持為上述範圍，以碳換算質量計，僅能將甲烷氣體至多向高爐內吹入52 kg/t左右。即，即便使吹入高爐內之甲烷氣體全部為再生甲烷氣體，而還原材料中之循環碳原子之基本單位亦至多為52 kg/t左右。
另一方面，於本發明之一實施形態之高爐之操作方法中，即便使甲烷氣體之吹入量大幅度增加，亦能夠將風口端溫度控制為2000℃～2400℃之範圍。因此，可使還原材料中之循環碳原子之基本單位增加至55 kg/t以上、進而60 kg/t以上。藉此，來自高爐氣體中所包含之一氧化碳或二氧化碳之再生甲烷氣體之使用量增加，來自高爐之二氧化碳之排放量進一步削減。還原材料中之循環碳原子之基本單位為80 kg/t以上，進而為90 kg/t以上更合適。還原材料中之循環碳原子之基本單位之上限並不特別限定，但較佳為110 kg/t以下。 再者，藉由調整吹入還原材料中之再生甲烷氣體向風口吹入之量，可控制還原材料中之循環碳原子之基本單位。 尤其藉由將吹入甲烷氣體中之再生甲烷氣體之比例設為80體積%以上，較佳為90體積%以上，可獲得較高之二氧化碳之排放量削減效果。
又，亦可自高爐氣體之一部分生成再生甲烷氣體，將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。進而，於再生甲烷氣體存在剩餘部分之情況下，亦可將該剩餘部分供給至煉鐵廠內。
再者，氧氣及還原材料之吹入量或其他操作條件並不特別限定，只要根據高爐之容量等來適當決定即可。
[高爐附帶設備] 依據本發明之一實施形態之高爐附帶設備係用於上述高爐之操作方法者，且具備： 甲烷氣體生成裝置，其使用上述高爐氣體及上述焦炭爐氣體，生成上述再生甲烷氣體；以及 氣體吹入裝置，其具有將上述再生甲烷氣體導入上述高爐之風口之甲烷氣體供給部、及將上述氧氣導入上述高爐之風口之氧氣供給部。
此處，甲烷氣體生成裝置例如具有高爐氣體取入部、焦炭爐氣體取入部、及反應部。又，甲烷氣體生成裝置亦可具有來自其他供給源之氫氣取入部。於反應部中，使自高爐氣體取入部取入之高爐氣體與自焦炭爐氣體取入部取入之焦炭爐氣體(及自氫氣取入部取入之氫氣)中所包含之氫反應，生成再生甲烷氣體。 再者，由於甲烷氣體之生成反應中產生發熱，故而反應部較佳為具備冷卻機構。
如上所述，例如，如圖2(a)所示，氣體吹入裝置包含具有中心管4-1及外管4-3之同軸多重管。而且，向成為甲烷氣體供給部(路)之中心管內路導入甲烷氣體(導入再生甲烷氣體，及適當導入下述外部甲烷氣體)，向成為氧氣供給部(路)之中心管4-1與外管4-3之間之環狀管路導入氧氣。 又，亦可一併使用其他吹入還原材料、例如粉煤或廢塑膠、氫氣或一氧化碳氣體等還原氣體。 於使用其他吹入還原材料之情況下，亦可將其他吹入還原材料亦一併導入至甲烷氣體供給部。又，於使用粉煤或廢塑膠作為其他吹入還原材料之情況下，較佳為與甲烷氣體供給部分開設置使粉煤或廢塑膠流通之另一還原材料供給部(路)。於該情況下，例如，如圖2(b)所示，氣體吹入裝置包含如下同軸多重管，該同軸多重管除了具有中心管4-1及外管4-3以外，尚於中心管4-1與外管4-3之間設置有內管4-2。而且，自成為另一還原材料供給部之中心管內路導入粉煤、廢塑膠等其他吹入還原材料。又，自成為甲烷氣體供給部之中心管4-1與外管4-3之間之環狀管路導入甲烷氣體，自成為氧氣供給部之內管4-2與外管4-3之間之環狀管路導入氧。 [實施例]
使用圖1、圖3至5中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，於表1所示之條件下進行高爐操作，對操作中之風口端溫度及來自高爐之二氧化碳之排放量進行評估。將評估結果一併記載於表1中。 再者，於圖3至5中，符號9係熱風爐，10係氣體分離裝置，11係熱風爐廢氣用脫水裝置。
此處，於發明例1中，使用圖1中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，自高爐氣體之一部分生成再生甲烷氣體，將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。又，於吹入還原材料全部使用再生甲烷氣體，將再生甲烷氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。進而，使用焦炭爐氣體作為生成再生甲烷氣體所需要之氫氣之供給源之一部分。 於發明例2中，使用圖1中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，自高爐氣體之一部分生成再生甲烷氣體，將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。又，於吹入還原材料全部使用再生甲烷氣體，以不產生再生甲烷氣體之剩餘部分之方式，調整再生甲烷氣體之生成量。進而，使用焦炭爐氣體作為生成再生甲烷氣體所需要之氫氣之供給源之一部分。 於發明例3中，使用圖1中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，自高爐氣體全部生成再生甲烷氣體。又，於吹入還原材料全部使用再生甲烷氣體，將再生甲烷氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。進而，使用焦炭爐氣體作為生成再生甲烷氣體所需要之氫氣之供給源之一部分。 於發明例4及5中，使用圖1中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，自高爐氣體之一部分生成再生甲烷氣體，將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。又，於吹入還原材料除了使用再生甲烷氣體以外，一部分還使用來自化石燃料之外部甲烷氣體。進而，使用焦炭爐氣體作為生成再生甲烷氣體所需要之氫氣之供給源之一部分。
另一方面，於比較例1中，使用圖3中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備。即，比較例1係分別使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣(氧濃度：21～25體積%左右))作為送風氣體，使用粉煤作為吹入還原材料之普通高爐操作方法。再者，未自高爐氣體生成再生甲烷氣體。 於比較例2中，使用圖4中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備。此處，分別使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣(氧濃度：21～25體積%左右))作為送風氣體，使用再生甲烷氣體作為吹入還原材料。又，於生成再生甲烷氣體之前，自高爐氣體分離一氧化碳及二氧化碳，自經分離之一氧化碳及二氧化碳，生成再生甲烷氣體。再者，焦炭爐氣體不用於生成再生甲烷氣體。 於比較例3中，使用圖5中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備。此處，分別使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣(氧濃度：21～25體積%左右))作為送風氣體，使用再生甲烷氣體作為吹入還原材料。又，於再生甲烷氣體之生成中，使用熱風爐之副產氣體(以下，亦稱為熱風爐廢氣)，而並非使用高爐氣體。而且，自熱風爐廢氣分離二氧化碳，自經分離之二氧化碳，生成再生甲烷氣體。再者，焦炭爐氣體不用於生成再生甲烷氣體。 於比較例4中，使用圖1中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，自高爐氣體之一部分生成再生甲烷氣體，將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。又，吹入還原材料除了使用再生甲烷氣體以外，一部分還使用來自化石燃料之外部甲烷氣體。再者，焦炭爐氣體不用於生成再生甲烷氣體。 於比較例5中，與比較例2相同，使用圖4示意性地表示之高爐及高爐附帶設備。再者，比較例5除了使吹入甲烷氣體比增加以外，為與比較例2相同之條件。
再者，為了便於比較，儘可能統一高爐之參數。即，使爐身效率為94%，熱損耗為150000 kcal/t。 再者，單位「kcal/t」係指製造1 t熔鐵時所產生之熱損耗量(kcal)。同樣地，焦炭比等中所使用之單位「kg/t」係指製造1 t熔鐵時所使用之焦炭之量(kg)等。又，吹入甲烷比等中所使用之單位「Nm3 /t」亦係指製造1 t熔鐵時吹入高爐內之吹入甲烷氣體中之甲烷量(Nm3 )等(再者，吹入甲烷比係再生甲烷比及外部甲烷比之和，但再生甲烷氣體中包含甲烷以外之微量之其餘氣體；又，表1中所表示之再生甲烷比及外部甲烷比之值均係將甲烷以外之微量之其餘氣體排除後之甲烷量，係將小數點後第1位四捨五入所得之值；因此，存在表1中之吹入甲烷比與再生甲烷比及外部甲烷比之和不一致之情況；又，表1中之其他數值亦存在同樣之情況)。 又，表1中之「高爐InputC」係指製造1 t熔鐵時所使用之來自外部之(具體而言為焦炭、粉煤及外部甲烷氣體所包含之)碳原子之質量(kg)。
[表1]
表1
   發明例 1 發明例 2 發明例 3 發明例 4 發明例 5
高爐參數 爐身效率 - 0.94 0.94 0.94 0.94 0.94
熱損耗 kcal/t 150000 150000 150000 150000 150000
焦炭比 kg/t 338 338 338 338 338
還原材料 (吹入還原材料) 粉煤比 kg/t 0 0 0 0 0
吹入甲烷比 Nm3 /t 200 200 200 200 200
再生甲烷比 Nm3 /t 200 200 200 103 112
外部甲烷比 Nm3 /t 0 0 0 98 88
送風氣體 供給量 Nm3 /t 321 321 321 321 321
供給溫度 ℃ 25 25 25 25 25
種類 - 氧氣 氧氣 氧氣 氧氣 氧氣
氧濃度 體積% 100 100 100 100 100
高爐氣體產生量 Nm3 /t 1034 1034 1034 1034 1034
氣體分 離步驟 分離步驟之有無 - 無 無 無 無 無
分離前之氣體種類 - - - - - -
分離前之氣體量 Nm3 /t - - - - -
分離後之氣體種類 - - - - - -
分離後之氣體量 Nm3 /t - - - - -
甲烷氣體 生成步驟 原料氣體種類 - 高爐 氣體 高爐 氣體 高爐 氣體 高爐 氣體 高爐 氣體
原料氣體量 Nm3 /t 448 184 1034 56 68
焦炭爐氣體供給量(焦炭爐氣體之基本單位) Nm3 /t 140 140 140 140 140
焦炭爐氣體中之氫量 Nm3 /t 82 82 82 82 82
焦炭爐氣體中之甲烷量 Nm3 /t 38 38 38 38 38
焦炭爐氣體中之CO、CO2 及(將甲烷除外) CnHm之合計量 Nm3 /t 17 17 17 17 17
氫氣供給量 合計 Nm3 /t 1106 455 2554 138 167
來自焦炭爐氣體※1 Nm3 /t 39 39 39 39 39
其他(外部氫) NM3 /t 1067 416 2515 99 129
再生甲烷氣體 生成量※2 Nm3 /t 402 201 846 103 112
來自焦炭爐氣體中之甲烷、CO等 Nm3 /t 60 60 60 60 60
再生甲烷氣體之甲烷濃度 體積% 99.6 99.6 99.6 99.6 99.6
氣體分配 吹入甲烷氣體中之再生甲烷氣體量 Nm3 /t 201 201 201 103 112
再生甲烷氣體之剩餘量(煉鐵廠內供給量) Nm3 /t 201 0 645 0 0
高爐氣體之剩餘量(煉鐵廠內供給量) Nm3 /t 586 850 0 978 966
C平衡 循環碳原子之基本單位 kg/t 107 107 107 55 60
高爐InputC kg/t 290 290 290 343 338
評估結果 自高爐向外部排出之CO2 量 kg/t 1064 1064 1064 1256 1238
風口端溫度 ℃ 2046 2046 2046 2046 2046
※1將與焦炭爐氣體中所包含之CO等反應之氫除外之量(用於與原料氣體之反應之氫量) ※2亦包含焦炭爐氣體中之甲烷、及自焦炭爐氣體中所包含之CO等所得之甲烷
表1(繼續)
   比較例 1 比較例 2 比較例 3 比較例 4 比較例 5
高爐參數 軸效率 - 0.94 0.94 0.94 0.94 0.94
熱損耗 kcal/t 150000 150000 150000 150000 150000
焦炭比 kg/t 331 410 410 338 406
還原材料 (吹入還原材料) 粉煤比 kg/t 170 0 0 0 0
吹入甲烷比 Nm3 /t 0 97 97 200 103
再生甲烷比 Nm3 /t 0 97 97 75 103
外部甲烷比 Nm3 /t 0 0 0 126 0
送風氣體 供給量 Nm3 /t 1006 1053 1053 321 1057
供給溫度 ℃ 1200 1200 1200 25 1200
種類 - 熱風 熱風 熱風 氧氣 熱風
氧濃度 體積% 25 25 25 100 25
高爐氣體產生量 Nm3 /t 1517 1587 1587 1034 1594
氣體分離 步驟 分離步驟之有無 - 無 有 有 無 有
分離前之氣體種類 - - 高爐 氣體 熱風爐 廢氣 - 高爐 氣體
分離前之氣體量 Nm3 /t - 232 704 - 246
分離後之氣體種類 - - CO、CO2 CO2 - CO、CO2
分離後之氣體量 Nm3 /t - 97 179 - 103
甲烷氣體 生成步驟 原料氣體種類 - - CO、CO2 CO2 高爐 氣體 CO、CO2
原料氣體量 Nm3 /t - 97 179 98 103
焦炭爐氣體供紿量(焦炭爐氣體之基本單位) Nm3 /t - - - - -
焦炭爐氣體中之氫量 Nm3 /t - - - - -
焦炭爐氣體中之甲烷量 Nm3 /t - - - - -
焦炭爐氣體中之CO、CO2 及(將甲烷除外) CnHm之合計量 Nm3 /t - - - - -
氫氣供給量 合計 Nm3 /t - 342 715 243 360
來自焦炭爐氣體※1 Nm3 /t - - - - -
其他(外部氫) Nm3 /t - 342 715 243 360
再生甲烷氣體 生成量※2 Nm3 /t - 97 179 75 103
來自焦炭爐氣體中之甲烷、 CO等 Nm3 /t - - - - -
再生甲烷氣體之甲烷濃度 體積% - 100.0 100.0 99.6 100.0
氣體分配 吹入甲烷氣體中之再生甲烷氣體量 Nm3 /t - 97 97 75 103
再生甲烷氣體之剩餘量(煉鐵廠內供給量) Nm3 /t - 0 81 0 0
高爐氣體之剩餘量(煉鐵廠內供給量) Nm3 /t 1144 960 1192 935 951
C平衡 循環碳原子之基本單位 kg/t 0 52 52 40 55
高爐InputC kg/t 420 353 353 358 349
評估結果 自高爐向外部排出之CO2 量 kg/t 1539 1293 1293 1311 1279
風口端溫度 ℃ 2179 2000 2000 2046 1978
※1將與焦炭爐氣體中所包含之CO等反應之氫除外之量(用於與原料氣體之反應之氫量) ※2亦包含焦炭爐氣體中之甲烷、及自焦炭爐氣體中所包含之CO等所得之甲烷
如表1所示，任一發明例中，均可藉由將風口端溫度控制為2000℃～2400℃之範圍而進行穩定之高爐操作，並且可削減自高爐向外部排出之二氧化碳量。尤其於發明例1～3中，可大幅度削減自高爐向外部排出之二氧化碳量。 另一方面，於比較例1～4中，未獲得充分之二氧化碳量削減效果。又，於比較例5中，因吹入甲烷氣體量增加導致風口端溫度未滿2000℃，故無法進行穩定之高爐操作。
1:高爐 2:風口 3:甲烷氣體生成裝置 3-1:焦炭爐 4:氣體吹入裝置 4-1:中心管 4-2:內管 4-3:外管 5:第1脫水裝置 6:第2脫水裝置 7:燃燒器 8:風徑區 9:熱風爐 10:氣體分離裝置 11:熱風爐廢氣用脫水裝置
圖1係示意性地表示本發明之一實施形態之高爐之操作方法中所使用的高爐及高爐附帶設備之一例之圖。 圖2(a)及(b)係示意性地表示本發明之一實施形態之高爐之操作方法中所使用的氣體吹入裝置之例之圖。 圖3係示意性地表示比較例中所使用之高爐及高爐附帶設備之圖。 圖4係示意性地表示比較例中所使用之高爐及高爐附帶設備之圖。 圖5係示意性地表示比較例中所使用之高爐及高爐附帶設備之圖。 圖6係針對熱風送風條件及氧氣送風條件，表示循環碳原子之基本單位與風口端溫度之關係之一例的圖。
1:高爐
2:風口
3:甲烷氣體生成裝置
3-1:焦炭爐
4:氣體吹入裝置
5:第1脫水裝置
6:第2脫水裝置
7:燃燒器

Claims (7)

  1. 一種高爐之操作方法，其具有如下步驟： 使用屬於自上述高爐排出之副產氣體的高爐氣體、及屬於自焦炭爐排出之副產氣體的焦炭爐氣體，生成再生甲烷氣體之步驟；以及 自上述高爐之風口向上述高爐內吹入送風氣體及還原材料之步驟； 使用氧氣作為上述送風氣體，且於上述還原材料之至少一部分使用上述再生甲烷氣體。
  2. 如請求項1之高爐之操作方法，其中，上述還原材料中之循環碳原子之基本單位為60 kg/t以上， 此處，所謂循環碳原子之基本單位，係指製造1 t熔鐵時作為還原材料吹入高爐內之再生甲烷氣體之碳換算質量，藉由下式求出： [循環碳原子之基本單位(kg/t)]=[作為還原材料吹入高爐內之再生甲烷氣體中之甲烷之質量(kg)]×(12/16)÷[熔鐵製造量(t)]。
  3. 如請求項1或2之高爐之操作方法，其中，上述焦炭爐氣體之基本單位為140 Nm3 /t以下， 此處，所謂焦炭爐氣體之基本單位，係指製造1 t熔鐵時生成再生甲烷氣體之步驟中所使用之焦炭爐氣體之量。
  4. 如請求項1至3中任一項之高爐之操作方法，其中，上述氧氣之氧濃度為80體積%以上。
  5. 如請求項1至4中任一項之高爐之操作方法，其中，自上述高爐氣體之一部分生成上述再生甲烷氣體，將上述高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
  6. 如請求項1至5中任一項之高爐之操作方法，其中，將上述再生甲烷氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
  7. 一種高爐附帶設備，其係用於請求項1至6中任一項之高爐之操作方法者；其具備： 甲烷氣體生成裝置，其使用上述高爐氣體及上述焦炭爐氣體，生成上述再生甲烷氣體；以及 氣體吹入裝置，其具有將上述再生甲烷氣體導入上述高爐之風口之甲烷氣體供給部、及將上述氧氣導入上述高爐之風口之氧氣供給部。
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