TW202140802A - 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以下步驟：從自高爐排出之副產氣體分離出二氧化碳氣體之步驟；由二氧化碳氣體生成再生甲烷氣體之步驟；以及自高爐之風口將送風氣體及還原材吹送至高爐內之步驟；且使用氧氣作為送風氣體，且還原材之至少一部分使用再生甲烷氣體。
Description
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，由於地球環境問題，被強烈要求減少二氧化碳(CO2
)之排放量。因此，於煉鐵廠內設置之高爐之操作中，亦要求進行低還原材比(低RAR)操作。
於普通高爐中，自風口將作為送風氣體之熱風(加熱至1200℃左右之空氣)吹送至高爐內。藉此，熱風中之氧氣與作為還原材之焦炭或粉煤發生反應，生成一氧化碳(CO)氣體或氫氣(H2
)。藉由該等一氧化碳氣體或氫氣，裝入至高爐內之鐵礦石被還原。又，於該鐵礦石之還原反應中，產生二氧化碳。
再者，送風氣體為自風口吹送至高爐內之氣體。送風氣體亦發揮使高爐內之粉煤或焦炭氣化之作用。
作為減少此種高爐之操作中之二氧化碳排放量之技術，提出有如下技術，使自高爐等排出之副產氣體所含之一氧化碳或二氧化碳重組，生成甲烷或乙醇等烴，將生成之烴作為還原材再次導入至高爐內。
例如，專利文獻1中揭示有如下內容：
「一種高爐之操作方法，其特徵在於具有以下步驟：步驟(A)，其自包含CO2
及/或CO之混合氣體分離回收CO2
及/或CO；步驟(B)，其向藉由該步驟(A)分離回收之CO2
及/或CO中添加氫氣，使CO2
及/或CO轉化成CH4
；步驟(C)，其自歷經該步驟(B)獲得之氣體將H2
O分離去除；以及步驟(D)，其將歷經該步驟(C)獲得之氣體吹送至高爐內」。
又，專利文獻2中揭示有如下內容：
「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排氣分離出CO2
，使分離出之CO2
重組為甲烷而獲得還原氣體，將該還原氣體吹送至高爐內」。
[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)
但是，於專利文獻1及2之技術中，若作為還原材吹送至高爐內之甲烷之量達到一定以上，則有時會引起高爐下部之傳熱不足、壓力損失上升、或出渣不良等操作故障。
因此，要求開發出能夠於穩定之操作下，進一步減少高爐之二氧化碳排放量之高爐之操作方法。
本發明係鑒於上述現狀而開發者，其目的在於提供一種能夠於穩定之操作下，進一步減少高爐之二氧化碳排放量之高爐之操作方法。
又，本發明之目的在於提供一種上述高爐之操作方法所使用之高爐附帶設備。
(解決問題之技術手段)
本發明人等為了達成上述目的，反覆進行銳意研究。
首先，本發明人等對專利文獻1及2之技術中，於將作為還原材吹送至高爐內之甲烷之量設為一定以上之情形時，發生操作故障之原因進行研究。
結果，獲得以下見解。
若將作為還原材吹送至高爐內之甲烷之量設為一定以上，則於風口之出口附近產生之燃燒區域(迴旋區)中吹送還原材及焦炭燃燒產生之火焰之溫度(以下，亦稱為風口前溫度)大幅降低。而該風口前溫度降低會導致高爐下部之傳熱不足、壓力損失上升或出渣不良等操作故障發生。
即，於自風口向高爐內吹送作為還原材之粉煤之情形時，粉煤之主要成分為碳，因此迴旋區中發生如下反應。
C＋0.5O2
＝CO＋110.5 kJ/mol
另一方面，於自風口向高爐內吹送作為還原材之甲烷之情形時，迴旋區中發生如下反應。
CH4
＋0.5O2
＝CO＋2H2
＋35.7 kJ/mol
若以CO及H2
之合計量之每1莫耳計對該反應時產生之熱量進行換算，則為11.9 kJ/mol。
為了高爐之穩定操作，必須將風口前溫度控制為2000℃～2400℃之範圍。但是，若將吹送至高爐內之還原材之大部分自粉煤置換成甲烷氣體，則上述反應熱之差會導致風口前溫度降低。結果，無法將風口前溫度控制為上述範圍內，從而發生各種操作故障。
因此，本發明人等基於上述見解，進一步反覆進行研究。
結果發現，藉由使用氧氣而非熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體，即便吹送至高爐內之還原材使用大量甲烷，亦可有效防止風口前溫度降低。而且獲得如下見解，藉由利用自高爐排出之副產氣體再生此種甲烷，並將該再生之甲烷(再生甲烷氣體)作為還原材再次吹送至高爐內，可進一步減少高爐之二氧化碳排放量，並且可實現穩定之高爐之操作。
再者，本發明人等認為藉由使用氧氣作為送風氣體，即便吹送至高爐內之還原材使用大量甲烷，亦能夠將風口前溫度控制為2000℃～2400℃之範圍之原因如下。
即，於使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體之情形時，燃燒氣體中包含50體積%左右無助於燃燒反應之氮氣，因此，迴旋區之火焰之溫度難以變成高溫。因此，若將吹送至高爐內之還原材之大部分自粉煤置換成甲烷氣體，則上述粉煤-氧氣之反應之反應熱與甲烷氣體-氧氣之反應之反應熱的差會導致風口前溫度降低，風口前溫度甚至會低於適當溫度之下限即2000℃。
另一方面，藉由使用氧氣作為送風氣體，可抑制無助於燃燒反應之氮氣混入，因此能夠使風口前溫度上升至充分之溫度。即，可使迴旋區之火焰之溫度高於使用熱風之情形時之溫度，因此，即便於自風口吹送大量甲烷作為還原材之情形時，亦能夠將風口前溫度控制為適當範圍即2000℃～2400℃之範圍。
本發明係基於上述見解，進一步進行研究後完成者。
即，本發明之主旨構成如下所述。
1.一種高爐之操作方法，其具有以下步驟：
從自上述高爐排出之副產氣體分離出二氧化碳氣體之步驟；
由上述二氧化碳氣體生成再生甲烷氣體之步驟；以及
自上述高爐之風口將送風氣體及還原材吹送至上述高爐內之步驟；且
使用氧氣作為上述送風氣體，且上述還原材之至少一部分使用上述再生甲烷氣體。
2.如上述1所記載之高爐之操作方法，其中，上述還原材中之循環碳原子之單位產品消耗量(原單位)為60 kg/t以上。
此處，循環碳原子之單位產品消耗量係指於製造1 t熔鐵時作為還原材吹送至高爐內之再生甲烷氣體之碳換算質量，藉由下式求出。
[循環碳原子之單位產品消耗量(kg/t)]＝[作為還原材吹送至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所記載之高爐之操作方法，其中，上述氧氣之氧氣濃度為80體積%以上。
4.如上述1至3中任一項所記載之高爐之操作方法，其中，自上述副產氣體之一部分分離出上述二氧化碳氣體，並將上述副產氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
5.如上述1至4中任一項所記載之高爐之操作方法，其中，將上述再生甲烷氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
6.一種高爐附帶設備，其係如上述1至5中任一項所記載之高爐之操作方法所使用之高爐附帶設備，其具備有：
氣體分離裝置，其自上述副產氣體分離出上述二氧化碳氣體；
甲烷氣體生成裝置，其由上述二氧化碳氣體生成上述再生甲烷氣體；以及
氣體吹送裝置，其具有將上述再生甲烷氣體導入至上述高爐之風口之甲烷氣體供給部、及將上述氧氣導入至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，能夠於穩定之操作下，進一步減少高爐之二氧化碳(CO2
)排放量。又，藉由使用由高爐氣體生成之甲烷氣體，亦能夠減少焦炭及粉煤，即作為有限之化石燃料之煤之使用量。
基於以下實施形態對本發明進行說明。
本發明之一實施形態為高爐之操作方法，其具有以下步驟：
從自上述高爐排出之副產氣體分離出二氧化碳氣體之步驟；
由上述二氧化碳氣體生成再生甲烷氣體之步驟；以及
自上述高爐之風口將送風氣體及還原材吹送至上述高爐內之步驟；且
使用氧氣作為上述送風氣體，且上述還原材之至少一部分使用上述再生甲烷氣體。
首先，以將根據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形作為一例，進行說明。
圖中，符號1為高爐，2為風口，3為甲烷氣體生成裝置，4為氣體吹送裝置，5為第1脫水裝置，6為第2脫水裝置，7為燃燒器，10為氣體分離裝置。
再者，此處所述之高爐亦包含軸型還原爐等。
[高爐之操作方法]
於根據本發明之一實施形態之高爐之操作方法中，自高爐之爐頂部將作為原料之燒結礦、塊礦石或顆粒(以下，亦稱為礦石原料)或焦炭等裝入至高爐內(未圖示)。又，自設置於高爐下部之風口2將送風氣體及還原材吹送至高爐1內。再者，為了與焦炭加以區分，亦將自風口2吹送至高爐1內之還原材稱為吹送還原材。
然後，利用藉由送風氣體與還原材之反應生成之一氧化碳氣體或氫氣，裝入至高爐1內之礦石原料被還原。於該礦石原料之還原反應中，產生二氧化碳。而後，該二氧化碳與未與礦石原料發生反應之一氧化碳或氫氣等一起作為副產氣體自高爐之爐頂部排出。高爐之爐頂部形成2.5氣壓左右之高壓條件。因此，自該高爐之爐頂部排出之副產氣體(以下，亦稱為高爐氣體)藉由恢復至常壓時之膨脹冷卻，而使水蒸氣冷凝。然後，於第1脫水裝置5中去除該冷凝水。
繼而，將高爐氣體之至少一部分導入至氣體分離裝置10，自高爐氣體分離出二氧化碳氣體。藉由使用自高爐氣體分離出之二氧化碳氣體實施甲烷氣體再生步驟，可減小送入至甲烷氣體再生裝置3之氣體體積。因此，可使甲烷氣體再生裝置3小型化，故尤其有利。
此處，二氧化碳氣體並非必須為二氧化碳濃度為100體積%之氣體，但為了使再生甲烷氣體之甲烷濃度成為高濃度，較佳為使用二氧化碳濃度較高之氣體，具體而言，較佳為使用二氧化碳濃度為80體積%以上之二氧化碳氣體。二氧化碳濃度更佳為90體積%以上，進而較佳為95體積%以上。
又，以除二氧化碳以外之氣體濃度為20體積%以下，更佳為10體積%以下，進而較佳為5體積%以下之方式進行氣體分離為宜。作為除二氧化碳以外之氣體，可例舉：一氧化碳、氫氣、氮氣或氬氣等。其中，尤其必須充分降低氮氣及氬氣之濃度，氮氣及氬氣之合計濃度較佳為20體積%以下，更佳為10體積%以下，進而較佳為5體積%以下。除二氧化碳以外之氣體濃度亦可為0體積%。
再者，例如如圖1所示，使自高爐氣體分離出二氧化碳氣體後之剩餘氣體(以下，亦稱為分離後殘氣)合流至高爐氣體向煉鐵廠內之供給管線即可。又，分離後殘氣主要包含一氧化碳及氫氣，有時包含一部分氮氣或氬氣等。
繼而，將二氧化碳氣體導入至甲烷氣體生成裝置3。然後，於甲烷氣體生成裝置3中，使二氧化碳氣體與氫氣發生反應，生成甲烷(CH4
)氣體。再者，將該使二氧化碳氣體發生反應所得之甲烷氣體稱為再生甲烷氣體。
再者，再生甲烷氣體之生成所使用之氫氣可自外部供給，較佳為儘可能不生成二氧化碳之製法。例如，可使用水之電解等。又，氫氣可並非氫氣濃度為100體積%之氣體，但為了使再生甲烷氣體之甲烷濃度較高，較佳為使用氫氣濃度較高之氣體，具體而言，較佳為使用氫氣濃度為80體積%以上之氫氣。氫氣濃度更佳為90體積%以上，進而較佳為95體積%以上。氫氣濃度亦可為100體積%。作為除氫氣以外之剩餘氣體，例如可例舉：CO、CO2
、H2
S、CH4
或N2
等。
繼而，使再生甲烷氣體冷卻至常溫，藉此使再生甲烷氣體中之水蒸氣冷凝。然後，於第2脫水裝置6中去除該冷凝水。
繼而，將再生甲烷氣體導入至氣體吹送裝置4。氣體吹送裝置4經由第2脫水裝置6與甲烷氣體生成裝置3連接。又，氣體吹送裝置4具有將作為吹送還原材之再生甲烷氣體導入至高爐1之風口2之甲烷氣體供給部、及將作為送風氣體之氧氣導入至高爐之風口之氧氣供給部。
例如，如圖2(a)所示，氣體吹送裝置4包含具有中心管4-1及外管4-3之同軸多重管。然後，向作為甲烷氣體供給部(路)之中心管內路導入甲烷氣體(再生甲烷氣體及適當情形時之下述外部甲烷氣體)，向作為氧氣供給部(路)之中心管4-1與外管4-3之間之環狀管路導入氧氣。
又，亦可一起使用其他吹送還原材，例如粉煤或廢塑膠、氫氣或一氧化碳氣體等還原氣體。再者，其他吹送還原材向高爐內之吹送量宜設為合計150 kg/t以下。此處，「kg/t」之單位係於製造1 t熔鐵時吹送至高爐內之其他吹送還原材之量。
於使用其他吹送還原材之情形時，亦可將其他吹送還原材一起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送還原材之情形時，較佳為設置不同於甲烷氣體供給部之使粉煤或廢塑膠流通之其他還原材供給部(路)。於該情形時，例如，如圖2(b)所示，氣體吹送裝置3包含除中心管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之同軸多重管。然後，自作為其他還原材供給部之中心管內路導入粉煤或廢塑膠等其他吹送還原材。又，自作為甲烷氣體供給部之中心管4-1與內管4-2之間之環狀管路導入甲烷氣體，自作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氣。
再者，若送風氣體使用常溫之氧氣，則著火性會變差，因此較佳為將構成氣體吹送裝置4之氧氣供給部之外管之噴出部設為多孔構造，以促進氧氣與吹送還原材之混合。
又，無需將自風口向高爐內吹送之甲烷氣體(以下，亦稱為吹送甲烷氣體)全部設為再生甲烷氣體，亦可根據煉鐵廠之操作，使用其他管線供給之甲烷氣體(亦稱為外部甲烷氣體)。於該情形時，可使外部甲烷氣體之供給管線與氣體吹送裝置4之甲烷氣體供給部連接，亦可使外部甲烷氣體之供給管線與上述其他還原材供給部連接。又，亦可使外部甲烷氣體之供給管線與甲烷氣體生成裝置3與氣體吹送裝置4之間(較佳為第2脫水裝置6與氣體吹送裝置4之間)之再生甲烷氣體流通路連接。
再者，作為外部甲烷氣體，例如可例舉源自化石燃料之甲烷氣體等。
繼而，如圖2(a)及(b)所示，自氣體吹送裝置4導入之吹送甲烷氣體等吹送還原材及氧氣於風口2內混合，該混合氣體自風口2被吹送至高爐1內後立即急速著火、急速燃燒。然後，於風口2前方之高爐內形成吹送甲烷氣體等吹送還原材或焦炭與氧氣發生反應之區域即迴旋區8。
再者，若送風氣體中之氧氣濃度增加，則存在爐內氣體量變少，而高爐上部之裝入物之升溫變得不充分之情形。於該情形時，較佳為如圖1所示，藉由燃燒器7使第1脫水裝置5之下游之高爐氣體之一部分以成為800℃～1000℃左右之方式部分燃燒後，進行吹送至高爐軸部之預熱氣體吹送。
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非熱風(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)作為送風氣體之情形時，燃燒氣體中包含50體積%左右無助於燃燒反應之氮氣，因此迴旋區之火焰之溫度難以變成高溫。因此，若將吹送至高爐內之還原材之大部分自粉煤置換成甲烷氣體，則上述粉煤-氧氣之反應之反應熱與甲烷氣體-氧氣之反應之反應熱的差會導致風口前溫度降低，風口前溫度會低於適當溫度之下限即2000℃。結果會導致高爐下部之傳熱不足、壓力損失上升或出渣不良等操作故障。
另一方面，藉由使用氧氣作為送風氣體，可抑制無助於燃燒反應之氮氣混入，因此能夠使風口前溫度上升至充分之溫度。即，可使迴旋區之火焰之溫度高於使用熱風之情形時之溫度。因此，即便於自風口吹送大量甲烷作為還原材之情形時，亦能夠將風口前溫度控制為適當範圍即2000℃～2400℃之範圍。
根據以上內容可知，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8示出使用熱風(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(氧氣濃度：100體積%)作為送風氣體之條件(以下，亦稱為氧氣送風條件)下之下述還原材中之循環碳原子之單位產品消耗量(以下，亦僅稱為循環碳原子之單位產品消耗量)與風口前溫度之關係的一例。兩種條件下，吹送還原材均全部使用再生甲烷氣體(甲烷濃度：99.5體積%)。
如圖8所示，可知於熱風送風條件下，若循環碳原子之單位產品消耗量為52 kg/t以上(即，再生甲烷之吹送量為97 Nm3
/t以上)，則風口前溫度低於適當溫度之下限即2000℃。如此，於通常使用之熱風送風條件下，若將循環碳原子之單位產品消耗量設為55 kg/t以上，尤其是60 kg/t以上，則會導致風口前溫度降低，而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單位產品消耗量設為55 kg/t以上，進而為60 kg/t以上，亦能夠將風口前溫度保持為2000℃以上。
再者，於圖8之氧氣送風條件下，循環碳原子之單位產品消耗量為55 kg/t～80 kg/t之範圍內時，風口前溫度超過適當溫度之上限即2400℃。其原因在於吹送還原材全部使用再生甲烷，於吹送還原材之一部分使用外部甲烷氣體之情形時，即便循環碳原子之單位產品消耗量為55 kg/t～80 kg/t之範圍內，亦能夠將風口前溫度控制為2000℃～2400℃之範圍。又，即便於吹送還原材全部使用再生甲烷之情形時，藉由調整氧氣之氧氣濃度，亦能夠將風口前溫度控制為2000℃～2400℃之範圍。
又，氧氣之氧氣濃度較佳為設為80體積%以上。即，若氧氣之氧氣濃度較低，則有導入至高爐內之氣體量增加，進而高爐之壓力損失增大，從而降低生產性之虞。又，於重複進行上述氣體循環之期間，再生甲烷氣體中之甲烷氣體之濃度相對降低。因此，氧氣之氧氣濃度較佳為設為80體積%以上。氧氣濃度更佳為90體積%以上，進而較佳為95體積%以上。尤其是，若氧氣濃度為90體積%以上，則即便於超出通常之高爐操作時間進行操作之情形時，亦可在無外部甲烷氣體供給等之情況下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)，因此非常有利。氧氣濃度亦可為100體積%。
再者，作為氧氣中之除氧氣以外之剩餘氣體，例如可包含氮氣、二氧化碳或氬氣等。
又，包含再生甲烷氣體或者包含再生甲烷氣體及外部甲烷氣體之吹送甲烷氣體之甲烷濃度較佳為設為80體積%以上。
即，若吹送甲烷氣體中之甲烷濃度較低，則有吹送至高爐內之氣體量增加，進而高爐之壓力損失增大，從而生產性降低之虞。又，於重複進行上述氣體循環之期間，再生甲烷氣體中之甲烷濃度相對降低。因此，吹送甲烷氣體之甲烷濃度較佳為設為80體積%以上。吹送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。吹送甲烷氣體之甲烷濃度亦可為100體積%。
基於同樣之理由，再生甲烷氣體及外部甲烷氣體之甲烷濃度亦分別較佳為設為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亦可分別為100體積%。
再者，作為吹送甲烷氣體、再生甲烷氣體及外部甲烷氣體中之除甲烷以外之剩餘氣體，例如可包含一氧化碳、二氧化碳、氫氣及烴、以及氮氣等雜質氣體。
又，於再生甲烷氣體之甲烷濃度降低之情形時，例如藉由降低吹送甲烷氣體中之再生甲烷氣體之比率，另一方面，增加甲烷濃度較高之外部甲烷氣體之比率，能夠將吹送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，較佳為將還原材中之循環碳原子之單位產品消耗量設為55 kg/t以上，進而為60 kg/t以上。
此處，循環碳原子之單位產品消耗量係指於製造1 t熔鐵時作為還原材吹送至高爐內之再生甲烷氣體之碳換算質量，藉由下式求出。
[循環碳原子之單位產品消耗量(kg/t)]＝[作為還原材吹送至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)]
為了高爐之穩定操作，通常必須將風口前溫度控制為2000℃～2400℃之範圍。因此，於使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體之情形時，就將風口前溫度保持為上述範圍之觀點而言，最多只能將以碳換算質量計52 kg/t左右之甲烷氣體吹送至高爐內。即，即便將吹送至高爐內之甲烷氣體全部設為再生甲烷氣體，還原材中之循環碳原子之單位產品消耗量亦僅為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，即便大幅增加甲烷氣體之吹送量，亦可將風口前溫度控制為2000℃～2400℃之範圍。因此，可將還原材中之循環碳原子之單位產品消耗量增加至55 kg/t以上，進而為60 kg/t以上。藉此，源自高爐氣體所含之一氧化碳或二氧化碳之再生甲烷氣體之使用量增加，高爐之二氧化碳排放量進一步減少。還原材中之循環碳原子之單位產品消耗量更宜設為80 kg/t以上，進而為90 kg/t以上。還原材中之循環碳原子之單位產品消耗量之上限並無特別限定，較佳為設為110 kg/t以下。
再者，還原材中之循環碳原子之單位產品消耗量可藉由調整吹送還原材中之再生甲烷氣體向風口之吹送量，而進行控制。
尤其是，藉由將吹送甲烷氣體中之再生甲烷氣體之比率設為80體積%以上，較佳為90體積%以上，可獲得較高之二氧化碳排放量減少之效果。
又，如圖3所示，亦可自高爐氣體之一部分分離出二氧化碳氣體，並將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。進而，如圖4所示，於再生甲烷氣體存在剩餘部分之情形時，亦可將該剩餘部分供給至煉鐵廠內。
再者，氧氣及還原材之吹送量或其他操作條件並無特別限定，根據高爐之容量等適當決定即可。
[高爐附帶設備]
根據本發明之一實施形態之高爐附帶設備為上述高爐之操作方法所使用之高爐附帶設備，其具備有：
氣體分離裝置，其自上述副產氣體分離出上述二氧化碳氣體；
甲烷氣體生成裝置，其由上述二氧化碳氣體生成上述再生甲烷氣體；以及
氣體吹送裝置，其具有將上述再生甲烷氣體導入至上述高爐之風口之甲烷氣體供給部、及將上述氧氣導入至上述高爐之風口之氧氣供給部。
此處，氣體分離裝置例如可例舉使用利用胺系吸收液之化學吸附法之二氧化碳分離裝置等。
又，氣體分離裝置例如具有二氧化碳氣體吸入部及反應部。於反應部分離出之二氧化碳氣體被送至甲烷氣體供給部。再者，例如，如圖1所示，使分離後之殘氣合流至高爐氣體向煉鐵廠內之供給管線即可。
又，甲烷氣體生成裝置例如具有二氧化碳氣體吸入部、氫氣吸入部及反應部。於反應部，使自二氧化碳氣體吸入部吸入之二氧化碳氣體與自氫氣吸入部吸入之氫氣發生反應，生成再生甲烷氣體。再者，甲烷氣體之生成反應會導致發熱，因此較佳為反應部具備冷卻機構。
又，如上所述，例如，如圖2(a)所示，氣體吹送裝置包含具有中心管4-1及外管4-3之同軸多重管。而且，向作為甲烷氣體供給部(路)之中心管內路導入甲烷氣體(再生甲烷氣體及適當情形時之下述外部甲烷氣體)，向作為氧氣供給部(路)之中心管4-1與外管4-3之間之環狀管路導入氧氣。
又，亦可一起使用其他吹送還原材，例如粉煤或廢塑膠、氫氣或一氧化碳氣體等還原氣體。
於使用其他吹送還原材之情形時，亦可將其他吹送還原材一起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送還原材之情形時，較佳為設置不同於甲烷氣體供給部之使粉煤或廢塑膠流通之其他還原材供給部(路)。於該情形時，例如，如圖2(b)所示，氣體吹送裝置包含除中心管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之同軸多重管。然後，自作為其他還原材供給部之中心管內路導入粉煤或廢塑膠等其他吹送還原材。又，自作為甲烷氣體供給部之中心管4-1與內管4-2之間之環狀管路導入甲烷氣體，自作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氣。
[實施例]
使用圖1、圖3～7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，對操作期間之風口前溫度及高爐之二氧化碳排放量進行評估。將評估結果一併記於表1。
再者，圖5～7中，符號9為熱風爐，11為熱風爐排氣用脫水裝置。
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分離出二氧化碳氣體，由二氧化碳氣體生成再生甲烷氣體，將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。又，吹送還原材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。再者，自高爐氣體分離出之二氧化碳氣體之二氧化碳濃度為100體積%。於發明例2～5中亦相同。
於發明例2中，使用圖3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分離出二氧化碳氣體，由二氧化碳氣體生成再生甲烷氣體，將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。又，吹送還原材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。
於發明例3中，使用圖4中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，自全部高爐氣體分離出二氧化碳氣體，由二氧化碳氣體生成再生甲烷氣體。又，吹送還原材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。
於發明例4及5中，使用圖3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分離出二氧化碳氣體，由二氧化碳氣體生成再生甲烷氣體，將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。又，吹送還原材除再生甲烷氣體以外，一部分使用源自化石燃料之外部甲烷氣體。
另一方面，於比較例1中，使用圖5中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備。即，比較例1為普通之高爐操作方法，其使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣(氧氣濃度：21～25體積%左右))作為送風氣體，使用粉煤作為吹送還原材。再者，並不進行自高爐氣體之二氧化碳氣體之分離及再生甲烷氣體之生成。
於比較例2中，使用圖6中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備。此處，使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣(氧氣濃度：21～25體積%左右))作為送風氣體，使用再生甲烷氣體作為吹送還原材。又，於生成再生甲烷氣體之前，自高爐氣體分離出一氧化碳及二氧化碳，由分離出之一氧化碳及二氧化碳生成再生甲烷氣體。
於比較例3中，使用圖7中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備。此處，使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣(氧氣濃度：21～25體積%左右))作為送風氣體，使用再生甲烷氣體作為吹送還原材。又，於生成再生甲烷氣體時，使用熱風爐之副產氣體(以下，亦稱為熱風爐排氣)而非高爐氣體。然後，自熱風爐排氣分離出二氧化碳，由分離出之二氧化碳生成再生甲烷氣體。
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，由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，吹送還原材除再生甲烷氣體以外，一部分使用源自化石燃料之外部甲烷氣體。
於比較例5中，與比較例2同樣地使用圖6中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備。再者，比較例5除增加吹送甲烷氣體比以外，其他條件與比較例2相同。
再者，就比較之觀點而言，高爐之規格儘可能統一。即，軸效率設為94%，熱損失設為150000 kcal/t。
再者，「kcal/t」之單位意指於製造1 t熔鐵時產生之熱損失量(kcal)。同樣地，焦炭比等中使用之「kg/t」之單位意指於製造1 t熔鐵時使用之焦炭之量(kg)等。又，吹送甲烷比等中使用之「Nm3
/t」之單位亦意指於製造1 t熔鐵時吹送至高爐內之吹送甲烷氣體中之甲烷量(Nm3
)等(再者，吹送甲烷比為再生甲烷比及外部甲烷比之和，但再生甲烷氣體中包含除甲烷以外之微量剩餘氣體；又，表1中表示之再生甲烷比及外部甲烷比之值均為將除甲烷以外之微量剩餘氣體除外之甲烷量，為將小數點後第1位四捨五入所得之值；因此，有時表1中之吹送甲烷比與再生甲烷比及外部甲烷比之和不一致)。
又，表1中之「高爐InputC」意指於製造1 t熔鐵時使用之源自外部之(具體而言，焦炭、粉煤及外部甲烷氣體中包含之)碳原子之質量(kg)。進而，表1中之「高爐氣體之剩餘量(煉鐵廠內供給量)」中亦包含分離後殘氣。
[表1]
| 表1 | |||||||
| 發明例1 | 發明例2 | 發明例3 | 發明例4 | 發明例5 | |||
| 高爐規格 | 軸效率 | - | 0.94 | 0.94 | 0.94 | 0.94 | 0.94 |
| 熱損失 | kcal/t | 150000 | 150000 | 150000 | 150000 | 150000 | |
| 焦炭比 | kg/t | 338 | 338 | 338 | 338 | 338 | |
| 還原材 (吹送還原材) | 粉煤比 | kg/t | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 吹送甲烷比 | 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 | |
| 氧氣濃度 | 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 | - | 有 | 有 | 有 | 有 | 有 |
| 分離前之氣體種類 | - | 高爐 氣體 | 高爐 氣體 | 高爐 氣體 | 高爐 氣體 | 高爐 氣體 | |
| 分離前之氣體量 | Nm3 /t | 933 | 467 | 1034 | 239 | 261 | |
| 分離後之氣體種類 | - | CO2 | CO2 | CO2 | CO2 | CO2 | |
| 分離後之氣體量 | Nm3 /t | 400 | 200 | 443 | 103 | 112 | |
| 甲烷氣體 生成步驟 | 原料氣體種類 | - | CO2 | CO2 | CO2 | CO2 | CO2 |
| 原料氣體量 | Nm3 /t | 400 | 200 | 443 | 103 | 112 | |
| 氫氣供給量 | Nm3 /t | 1601 | 801 | 1773 | 411 | 448 | |
| 再生甲烷氣體之生成量 | Nm3 /t | 400 | 200 | 443 | 103 | 112 | |
| 再生甲烷氣體之甲烷濃度 | 體積% | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | |
| 氣體分佈 | 吹送甲烷氣體中之再生甲烷氣體量 | Nm3 /t | 200 | 200 | 200 | 103 | 112 |
| 再生甲烷氣體之剩餘量 (煉鐵廠內供給量) | Nm3 /t | 200 | 0 | 243 | 0 | 0 | |
| 高爐氣體之剩餘量 (煉鐵廠內供給量) | Nm3 /t | 634 | 834 | 591 | 931 | 922 | |
| C平衡 | 循環碳原子之單位產品消耗量 | kg/t | 107 | 107 | 107 | 55 | 60 |
| 高爐InputC | kg/t | 290 | 290 | 290 | 343 | 338 | |
| 評估結果 | 自高爐排出至外部之CO2 量 | kg/t | 1064 | 1064 | 1064 | 1256 | 1238 |
| 風口前溫度 | ℃ | 2046 | 2046 | 2046 | 2046 | 2046 |
| 表1(續) | |||||||
| 比較例1 | 比較例2 | 比較例3 | 比較例4 | 比較例5 | |||
| 高爐規格 | 軸效率 | - | 0.94 | 0.94 | 0.94 | 0.94 | 0.94 |
| 熱損失 | kcal/t | 150000 | 150000 | 150000 | 150000 | 150000 | |
| 焦炭比 | kg/t | 331 | 410 | 410 | 338 | 406 | |
| 還原材 (吹送還原材) | 粉煤比 | kg/t | 170 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 吹送甲烷比 | 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 | |
| 氧氣濃度 | 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 | 有 | 有 |
| 分離前之氣體種類 | - | - | 高爐 氣體 | 熱風爐 排氣 | 高爐 氣體 | 高爐 氣體 | |
| 分離前之氣體量 | Nm3 /t | - | 232 | 704 | 229 | 246 | |
| 分離後之氣體種類 | - | - | CO、CO2 | CO2 | CO2 | CO、CO2 | |
| 分離後之氣體量 | Nm3 /t | - | 97 | 179 | 98 | 103 | |
| 甲烷氣體 生成步驟 | 原料氣體種類 | - | - | CO、CO2 | CO2 | CO2 | CO、CO2 |
| 原料氣體量 | Nm3 /t | - | 97 | 179 | 98 | 103 | |
| 氫氣供給量 | Nm3 /t | - | 342 | 715 | 243 | 360 | |
| 再生甲烷氣體之生成量 | Nm3 /t | - | 97 | 179 | 75 | 103 | |
| 再生甲烷氣體之甲烷濃度 | 體積% | - | 100.0 | 100.0 | 99.6 | 100.0 | |
| 氣體分佈 | 吹送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 | 循環碳原子之單位產品消耗量 | kg/t | 0 | 52 | 52 | 40 | 55 |
| 高爐InputC | kg/t | 420 | 353 | 353 | 358 | 349 | |
| 評估結果 | 自高爐排出至外部之CO2 量 | kg/t | 1539 | 1293 | 1293 | 1311 | 1279 |
| 風口前溫度 | ℃ | 2179 | 2000 | 2000 | 2046 | 1978 |
如表1所示，於發明例中，均可藉由將風口前溫度控制為2000℃～2400℃之範圍而進行穩定之高爐之操作，並且減少自高爐排出至外部之二氧化碳量。尤其是於發明例1～3中，可大幅減少自高爐排出至外部之二氧化碳量。
另一方面，於比較例1～4中，並未獲得充分之二氧化碳量減少效果。又，於比較例5中，由於吹送甲烷氣體量增加，而風口前溫度未滿2000℃，因此無法進行穩定之高爐之操作。
1:高爐
2:風口
3:甲烷氣體生成裝置
4:氣體吹送裝置
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:迴旋區
9:熱風爐
10:氣體分離裝置
11:熱風爐排氣用脫水裝置
圖1係示意性地表示根據本發明之一實施形態之高爐之操作方法所使用之高爐及高爐附帶設備之一例的圖。
圖2(a)及(b)係示意性地表示根據本發明之一實施形態之高爐之操作方法所使用之氣體吹送裝置之例的圖。
圖3係示意性地表示根據本發明之一實施形態之高爐之操作方法所使用之高爐及高爐附帶設備之一例的圖。
圖4係示意性地表示根據本發明之一實施形態之高爐之操作方法所使用之高爐及高爐附帶設備之一例的圖。
圖5係示意性地表示比較例中使用之高爐及高爐附帶設備之圖。
圖6係示意性地表示比較例中使用之高爐及高爐附帶設備之圖。
圖7係示意性地表示比較例中使用之高爐及高爐附帶設備之圖。
圖8係表示熱風送風條件及氧氣送風條件下之循環碳原子之單位產品消耗量與風口前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
4:氣體吹送裝置
5:第1脫水裝置
6:第2脫水裝置
7:燃燒器
10:氣體分離裝置
Claims (6)
- 一種高爐之操作方法，其具有以下步驟： 從自上述高爐排出之副產氣體分離出二氧化碳氣體之步驟； 由上述二氧化碳氣體生成再生甲烷氣體之步驟；以及 自上述高爐之風口將送風氣體及還原材吹送至上述高爐內之步驟；且 使用氧氣作為上述送風氣體，且上述還原材之至少一部分使用上述再生甲烷氣體。
- 如請求項1之高爐之操作方法，其中，上述還原材中之循環碳原子之單位產品消耗量為60 kg/t以上， 此處，循環碳原子之單位產品消耗量係指於製造1 t熔鐵時作為還原材吹送至高爐內之再生甲烷氣體之碳換算質量，藉由下式求出， [循環碳原子之單位產品消耗量(kg/t)]＝[作為還原材吹送至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)]。
- 如請求項1或2之高爐之操作方法，其中，上述氧氣之氧氣濃度為80體積%以上。
- 如請求項1至3中任一項之高爐之操作方法，其中，自上述副產氣體之一部分分離出上述二氧化碳氣體，並將上述副產氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
- 如請求項1至4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。
- 一種高爐附帶設備，其係請求項1至5中任一項之高爐之操作方法所使用之高爐附帶設備，其具備有： 氣體分離裝置，其自上述副產氣體分離出上述二氧化碳氣體； 甲烷氣體生成裝置，其由上述二氧化碳氣體生成上述再生甲烷氣體；以及 氣體吹送裝置，其具有將上述再生甲烷氣體導入至上述高爐之風口之甲烷氣體供給部、及將上述氧氣導入至上述高爐之風口之氧氣供給部。
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