TW202332780A - 氣體還原材的吹入方法和高爐用風口 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種於高爐用風口中防止與吹管的連接部附近的燃燒反應、且不存在風口前方的風徑區空間內所產生的燃燒火焰返回風口內的情況的氣體還原材的吹入方法和高爐用風口。於使用高爐用風口10向高爐內吹入氣體還原材的氣體還原材的吹入方法中，高爐用風口10包括主流通孔12、及設置於主流通孔12的徑方向外側的副流通孔14，於主流通孔12的風口前端部13提高在主流通孔12中流通的含氧氣體的流速，使於副流通孔14中流通的氣體還原材於主流通孔12的風口前端部13與所述含氧氣體合流而成為混合氣體，並吹入所述高爐內。

Description

氣體還原材的吹入方法和高爐用風口
本發明是有關於一種用以將氣體還原材吹入高爐的氣體還原材的吹入方法和高爐用風口。
近年來，為了應對地球環境問題或化石燃料枯竭問題，而強烈要求減少CO 2產生量或節能化，從而於煉鋼廠中的高爐操作中，強力推進低還原材比（低RAR）操作。
於通常的高爐中，自風口吹入粉煤及1200℃左右的熱風，使焦炭及粉煤與熱風中的氧氣進行反應，其結果為，藉由所生成的CO、H 2等還原氣體將高爐內的鐵礦石等還原。以前主流是僅以焦炭、或焦炭及自風口吹入的重油作為還原材的操作，現在是將還原材的一部分由焦炭置換為粉煤。並且確立了將微粉碎至100 μm以下的尺寸的粉煤自風口吹入的粉煤吹入技術。
進而，近年亦確立了將廢塑膠等還原材吹入高爐的技術。藉由該些風口吹入技術的發展，而大幅降低煉鐵步驟中的能量消耗量。
專利文獻1中揭示有一種藉由有效利用高爐排氣而減少自高爐排出的CO 2氣體的技術。於該技術中，由高爐排氣中的CO或CO 2合成再生甲烷，以其作為還原材再次自風口吹入，藉此使碳於高爐製程內循環，減少自高爐排出的CO 2單位排出量。
自風口吹入的還原材和與其一起吹入的含氧氣體發生燃燒反應。並且，未與還原材反應而殘留的氧氣、藉由與還原材的燃燒反應所產生的二氧化碳（CO 2）及水蒸氣（H 2O）與處於風口前方的焦炭填充層的焦炭進行反應。然後，該些最終成為包含一氧化碳（CO）、氫氣（H 2）、氮氣（N 2）的高溫的還原性氣體（以下記載為爐腹氣體）。
此處，自風口吹入的還原材的燃燒率越高，焦炭的消耗量越少。因此，於煉鐵步驟的節能化中，提高自風口吹入的還原材的燃燒率變得極為重要。
又，風口處所生成的爐腹氣體為發揮將鐵礦石還原的功能的氣體，同時，發揮擠出風口前的焦炭而於風口前方形成被稱為風徑區的燃燒空間的作用。風徑區作為用以使自風口吹入的粉煤等還原材充分燃燒的空間較為重要，假定於無法形成風徑區的情形時，自風口吹入的還原材的燃燒率顯著降低。因此，為了達成高爐及煉鐵步驟中的節能化，重要的是於風口前方形成風徑區，並向該風徑區穩定地供給還原材。
關於風徑區的形成，非專利文獻1中揭示有風徑區的大小可根據風口的口徑、風口前端的噴出氣體流速等進行推算。
關於還原材向風徑區的供給，於現有高爐中，於使用吹管向高爐內吹送含氧的高溫氣體的吹管內插入噴槍，並自該噴槍吹入還原材。又，非專利文獻2中揭示有一種藉由將粉煤等固體還原材及含氧的支燃性氣體於風口內預先混合而提高風徑區內的粉煤的氣化率的技術。 [現有技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2011-225969號公報 [非專利文獻]
非專利文獻1：大野陽太郎、古川武、松浦正博,「高爐風徑區空間中的粉煤的燃燒行為與大量吹入技術」，鐵與鋼，1992年1月，第78卷，第1號，p.50～57 非專利文獻2：古川武、松浦正博、大野陽太郎、岸本純幸，「粉煤向高爐的吹入中的吹入部的結構與燃燒特性」，鐵與鋼，1996年12月，第82卷，第12號，p.993～998 非專利文獻3：鵜飼直道，「風口的變遷」，金屬，1978年3月，第48卷，第3號，p.39～43 非專利文獻4：安全工學會編，「安全工學便覽」，第4版，Corona公司，2019年7月p.241
[發明所欲解決之課題]
然而，於非專利文獻2所揭示的風口中，若作為還原材而添加B氣體或氫氣等還原性氣體或者天然氣或再生甲烷等可燃氣體，則存在風口前方的風徑區空間內所產生的燃燒火焰返回風口內的所謂風口內燃燒的情況。該風口內燃燒會產生將未經水冷的燃燒器的前端熔損或發生熱變形的問題。藉由除了風口以外亦將燃燒器前端水冷，能夠防止燃燒器的熔損或熱變形，但會產生熱損耗增加、或燃燒器與風口的連接部分處漏氣的風險增高的問題。
又，非專利文獻3中揭示有一種用以將作為還原材的重油吹入高爐的風口，於與吹管的連接部附近包括用以吹入重油的還原材吹入噴嘴。因此，亦考慮非專利文獻2所揭示的風口內錐形部應用非專利文獻3的還原材吹入噴嘴並添加B氣體或氫氣等還原性氣體或者天然氣或再生甲烷等可燃氣體。然而，若風口前方的風徑區空間內所產生的燃燒火焰返回風口內，則會產生風口內錐形部處燃燒持續而熱負載變大、或還原材吹入噴嘴破損的問題。
因此，發明人等為了解決現有技術中的上述課題而反覆銳意研究，結果開發出本發明的氣體還原材的吹入方法和高爐用風口。
即，本發明的目的在於提供一種於高爐用風口中防止與吹管的連接部附近的燃燒反應、且不存在風口前方的風徑區空間內所產生的燃燒火焰返回風口內的情況的氣體還原材的吹入方法和高爐用風口。 [解決課題之手段]
用以解決此種課題的本發明的特徵如以下所述。
[1]一種氣體還原材的吹入方法，其使用高爐用風口將氣體還原材吹入高爐內，所述高爐用風口包括：主流通孔；及副流通孔，設置於所述主流通孔的徑方向外側，所述氣體還原材的吹入方法為於該主流通孔的風口前端部提高在所述主流通孔中流通的含氧氣體的流速，使於所述副流通孔中流通的氣體還原材於所述主流通孔的所述風口前端部與所述含氧氣體合流而成為混合氣體，吹入所述高爐內。
[2]如[1]所記載的氣體還原材的吹入方法，其中將來自所述風口前端部的所述混合氣體的噴出氣體流速設為所述混合氣體的燃燒速度的55倍以上。
[3]如[1]或[2]所記載的氣體還原材的吹入方法，其中所述含氧氣體包含50體積%以上的氧氣。
[4]如[1]至[3]中任一項所記載的氣體還原材的吹入方法，其中所述氣體還原材包含B氣體、C氣體、氨、一氧化碳、氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔、丁烷、丁烯、丁炔、甲醇、乙醇及二甲醚的至少一者。
[5]一種高爐用風口，其為將氣體還原材吹入高爐內者，包括：主流通孔；及副流通孔，設置於所述主流通孔的周圍，所述主流通孔的風口前端部的內徑形成為該風口前端部以外的部分及向所述主流通孔供給氣體的吹管的內徑以下，所述副流通孔的風口前端側的端部以與所述主流通孔的所述風口前端部合流的方式形成。 [發明的效果]
於本發明的氣體還原材的吹入方法和高爐用風口中，氣體還原材於主流通孔的風口前端部與含氧氣體合流，與含氧氣體一起自風口前端部向高爐內噴出。藉此，於高爐用風口的與吹管的連接部附近不發生燃燒反應，於將含氧氣體及氣體還原材自風口前端部向爐內噴出後燃燒。
又，由於自主流通孔的所述風口前端部噴出的混合氣體的流速增大，因此能夠抑制風口前方的風徑區空間內所產生的燃燒火焰返回風口內。具體而言，藉由在主流通孔的風口前端部提高含氧氣體流速，使來自主流通孔的風口前端部的噴出氣體流速變得充分大於燃燒速度，而能夠確實地防止風口前方的風徑區空間內所產生的燃燒火焰返回風口內。
並且，於風口內未發生燃燒反應，因此無需進行用以防止吹管前端的熔損或熱變形的水冷，亦可獲得熱損耗減少的效果。
以下，參照圖式對本發明的氣體還原材的吹入方法和高爐用風口的實施形態進行具體說明。
圖1示意性地表示本實施形態的高爐用風口10的截面。
本實施形態的高爐用風口10向高爐內吹入氣體還原材，包括主流通孔12、及設置於主流通孔12的徑方向外側的副流通孔14。主流通孔12為將含氧氣體吹入高爐內的流通孔。又，副流通孔14為與主流通孔12不同的流通孔，為將氣體還原材吹入高爐內的流通孔。
於主流通孔12的含氧氣體噴出側設置有具有內徑D T及長度L的風口前端部13。風口前端部13的內徑D T以與主流通孔12的風口前端部13以外的部分及向主流通孔12供給氣體的吹管30的內徑D B相同、或較其更小的方式形成。將風口前端部13的長度L設定為大於內徑D T。並且，副流通孔14的風口前端側、即風口前端部13側的端部以與主流通孔12的風口前端部13合流的方式形成。
又，本實施形態的氣體還原材的吹入方法為使用高爐用風口10向高爐內吹入氣體還原材。具體而言，於主流通孔12的風口前端部13提高自吹管30向主流通孔12供給的含氧氣體的流速並吹入高爐內。並且，與此同時，使氣體還原材與自副流通孔14流至主流通孔12的風口前端部13的含氧氣體合流並吹入高爐內。
於本實施形態中，如上所述，主流通孔12的風口前端部13的內徑D T以與主流通孔12的風口前端部13以外的部分及向主流通孔12供給氣體的吹管30的內徑D B相同、或較其更小的方式形成。藉此，於主流通孔12的風口前端部13提高自吹管30向主流通孔12供給的含氧氣體的流速。又，藉由以副流通孔14的風口前端側、即風口前端部13側的端部與主流通孔12的風口前端部13合流的方式形成，使自副流通孔14吹入的氣體還原材與於主流通孔12的風口前端部13中流通的含氧氣體合流。
藉由自主流通孔12吹入的含氧氣體與高爐用風口10的前方的高爐內的焦炭填充層的焦炭及自副流通孔14吹入的氣體還原材之間的燃燒、氣化反應生成爐腹氣體。然後，藉由該爐腹氣體於高爐用風口10的前方形成風徑區20。
此處，自副流通孔14吹入的氣體還原材與自主流通孔12吹入的含氧氣體發生燃燒反應而燃燒的量越多，越能夠減少高爐內的焦炭填充層的焦炭的使用量。藉此，於自高爐用風口10吹入還原材時，重要的是於高爐用風口10的前方形成大小充分的風徑區20，使還原材充分燃燒、氣化。
另一方面，作為自主流通孔12吹入的含氧氣體，較佳為使用包含50體積%以上的氧氣的氣體。藉由吹入包含50體積%以上的氧氣的氣體作為含氧氣體，即便增大氣體還原材的吹入量亦可促進氣體還原材的燃燒，進一步減少高爐操作中的焦炭使用量，從而能夠大幅減少自高爐排出的CO 2。
如上所述，於使用氧氣濃度高的含氧氣體的情形時，由於含氧氣體中的氮氣量減少，故而含氧氣體的吹入量減少。於此種送風條件下，為了形成大小充分的風徑區20，而使主流通孔12的風口前端部13的內徑D T與吹管30的內徑D B相同或較其更小，而於風口前端部13提高含氧氣體的流速。然後，使自副流通孔14供給的氣體還原材於風口前端部13與含氧氣體合流。
藉此，不存在含氧氣體與氣體還原材的預混合氣體存在於高爐用風口10的與吹管30的連接部附近的情況，而能夠防止風口內錐形部附近的燃燒反應。並且，風口前端部13處合流的含氧氣體與氣體還原材的預混合氣體是自風口前端部13以高流速噴出至高爐內，因此於自風口前端部13噴出至高爐內後燃燒。
再者，內徑D T縮小的風口前端部13的長度若大於內徑D T，則於風口前端部13中能夠確實地提高含氧氣體的流速，因此較佳。又，主流通孔12若以伴隨自與吹管30的連接部靠近風口前端部13而內徑逐漸變小的方式形成，則同樣地，於風口前端部13中能夠確實地提高含氧氣體的流速，因此較佳。
較佳為將自主流通孔12的風口前端部13的噴出氣體流速設為風口前端部13處合流的含氧氣體與氣體還原材的混合氣體的燃燒速度的55倍以上。此處，作為含氧氣體與氣體還原材的混合氣體的燃燒速度，例如可使用非專利文獻4所揭示的數值。如此能夠確實地防止高爐用風口10的前方的風徑區20內所產生的燃燒火焰返回高爐用風口10內。
又，作為自副流通孔14吹入的氣體還原材，例如可使用B氣體（高爐氣體）、C氣體（焦炭爐氣體）、氨、一氧化碳、氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔、丁烷、丁烯、丁炔、甲醇、乙醇、二甲醚及天然氣。其中，尤佳為使用包含B氣體（高爐氣體）、C氣體（焦炭爐氣體）、一氧化碳、氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔、丁烷、丁烯、丁炔、甲醇、乙醇、二甲醚及天然氣的至少一種的氣體。該些氣體為鋼鐵製造過程中所副生的氣體、或由所副生的氣體所製造的氣體，因此使碳於鋼鐵製造製程內進行循環，藉此能夠藉由鋼鐵製造製程減少所排出的CO 2量。
再者，於所述實施形態中，已對設置於主流通孔12的徑方向外側的副流通孔14為一條的情形進行了說明，但亦可將設置於主流通孔12的徑方向外側的副流通孔14設為多條。於該情形時，較佳為以自多條副流通孔14向主流通孔12合流的氣體還原材氣體的動量中主流通孔12的徑方向的分量互相抵消的方式配置多條副流通孔14。如此能夠將氣體還原材氣體的動量設為僅主流通孔12的長度方向的分量。 實施例
將本發明及比較例的高爐用風口的熱比例尺模型設置於焦炭填充層爐，進行燃燒試驗，並對本發明的效果進行驗證，因此以下進行說明。
於本燃燒試驗中，於將作為含氧氣體的室溫的氧氣以流量30.3 Nm 3/h～58.8 Nm 3/h、將作為氣體還原材的室溫的城市煤氣（甲烷）以流量23.7 Nm 3/h～46.1 Nm 3/h自高爐用風口的熱比例尺模型吹入焦炭填充層爐內的條件下進行燃燒實驗。所述流量的大小以高爐用風口的熱比例尺模型中的風口內燃燒的產生條件與高爐用風口實機相似的方式進行設定。
作為本發明例，如圖2的（a）所示，準備於主流通孔12的徑方向外側設置有一條副流通孔14的高爐用風口的熱比例尺模型10A（發明例1、發明例2及發明例4）。又，如圖2的（b）所示，準備於主流通孔12的徑方向外側中與主流通孔12為軸對稱的位置設置有兩條副流通孔14的高爐用風口的熱比例尺模型10B（發明例3）。於發明例1～發明例4的高爐用風口的熱比例尺模型10A、熱比例尺模型10B中，於主流通孔12的風口前端部13開口的副流通孔14的中心線與主流通孔12的中心線交叉。
進而，作為比較例，如圖2的（c）所示，準備如下高爐用風口的熱比例尺模型19，所述高爐用風口的熱比例尺模型19於主流通孔12的徑方向外側未設置副流通孔14，而是於主流通孔12的風口前端部13的相反側的錐形部組合非專利文獻2所揭示的多孔燃燒器40而成。然後，以與發明例1～發明例4相同的流量，自多孔燃燒器40的徑方向外側的流通孔41吹入氧氣，自徑方向內側的流通孔42吹入城市煤氣。
然後，對於發明例1～發明例4、比較例，分別於高爐用風口的熱比例尺模型的與吹管30或多孔燃燒器40的連接部附近設置熱電偶，計測高爐用風口內的溫度。又，與此同時，將高爐用風口的熱比例尺模型10A、熱比例尺模型10B、熱比例尺模型19的冷卻水的溫度上升加以比較。將該燃燒試驗的結果示於表1。
[表1]
   發明例1 發明例2 發明例3 發明例4 比較例
吹入方法 前端合流 前端合流 前端合流 前端合流 O 2多孔 -CH 4多孔
縮小模型 10A 10A 10B 10A 19
D T（mm） 16 16 16 16 16
氧氣流量（Nm 3/h） 30.3 46.9 46.9 58.8 46.9
副流通孔數 1 1 2 1 0
D S（mm） 12 12 8 12 -
L（mm） 20 20 20 20 -
甲烷流量（Nm 3/h） 23.7 36.7 36.7 46.1 36.7
風口前端噴出氣體流速（m/s） 81.4 126 126 158 126
噴出氣體流速/燃燒速度 36 55 55 69 55
吹管-風口連接部附近的燃燒 無 無 無 無 發生
風口冷卻水溫度上升 大於發明例2 基準 與發明例2程度相同 與發明例2程度相同 大幅大於發明例2
註）D T：風口前端部的內徑、D S：副流通孔的內徑、L：風口前端部的長度 如表1所示，於發明例1～發明例4中，高爐用風口的熱比例尺模型10A、熱比例尺模型10B的與吹管30的連接部附近（風口內錐形部）的溫度未見特別的變化，確認未發生風口內燃燒。並且，於風徑區20內城市煤氣（氣體還原材）與氧氣的燃燒反應穩定持續。
進而，於發明例1～發明例4中來自風口前端部13的混合氣體的噴出氣體流速大、為混合氣體的燃燒速度的55倍以上的發明例2～發明例4中，相較於發明例1，高爐用風口的熱比例尺模型10A、熱比例尺模型10B、熱比例尺模型19的冷卻水的溫度上升受到抑制。藉此確認，如發明例2～發明例4般，藉由將來自風口前端部13的混合氣體的噴出氣體流速設為混合氣體的燃燒速度的55倍以上，使混合氣體的燃燒起始位置（火焰面的位置）遠離風口前端部13，而減輕高爐用風口的熱負載（熱損耗），於熱方面有利。
與此相對，於比較例中，如圖3所示，高爐用風口的熱比例尺模型19的與吹管30的連接部附近（風口內錐形部）的溫度上升，發生風口內燃燒。
10:高爐用風口 10A、10B、19:高爐用風口的熱比例尺模型 12:主流通孔 13:風口前端部 14:副流通孔 20:風徑區 30:吹管 40:多孔燃燒器 41:徑方向外側的流通孔 42:徑方向內側的流通孔 D B:吹管的內徑 D T:風口前端部的內徑 L:風口前端部的長度
圖1為表示本發明的高爐用風口的截面的一例的示意圖。 圖2的（a）～圖2的（c）為表示發明例及比較例的高爐用風口的截面的示意圖。 圖3為表示比較例的高爐用風口中的溫度變化的例子的曲線圖。
10:高爐用風口
12:主流通孔
13:風口前端部
14:副流通孔
20:風徑區
30:吹管
DB:吹管的內徑
DT:風口前端部的內徑
L:風口前端部的長度

Claims (5)

  1. 一種氣體還原材的吹入方法，其使用高爐用風口將氣體還原材吹入高爐內， 所述高爐用風口包括：主流通孔；及副流通孔，設置於所述主流通孔的徑方向外側， 所述氣體還原材的吹入方法為於所述主流通孔的風口前端部提高在所述主流通孔中流通的含氧氣體的流速，使於所述副流通孔中流通的氣體還原材於所述主流通孔的所述風口前端部與所述含氧氣體合流而成為混合氣體，吹入所述高爐內。
  2. 如請求項1所述的氣體還原材的吹入方法，其中將來自所述風口前端部的所述混合氣體的噴出氣體流速設為所述混合氣體的燃燒速度的55倍以上。
  3. 如請求項1或請求項2所述的氣體還原材的吹入方法，其中所述含氧氣體包含50體積%以上的氧氣。
  4. 如請求項1至請求項3中任一項所述的氣體還原材的吹入方法，其中所述氣體還原材包含B氣體、C氣體、氨、一氧化碳、氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔、丁烷、丁烯、丁炔、甲醇、乙醇及二甲醚的至少一者。
  5. 一種高爐用風口，其為將氣體還原材吹入高爐內的高爐用風口， 其包括：主流通孔；及副流通孔，設置於所述主流通孔的周圍， 所述主流通孔的風口前端部的內徑形成為所述風口前端部以外的部分及向所述主流通孔供給氣體的吹管的內徑以下， 所述副流通孔的風口前端側的端部以與所述主流通孔的所述風口前端部合流的方式形成。
TW111109797A 2021-06-23 2022-03-17 氣體還原材的吹入方法和高爐用風口 TWI843066B (zh)

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