TWI487791B - Blast furnace operation method - Google Patents

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TWI487791B
TWI487791B TW101106750A TW101106750A TWI487791B TW I487791 B TWI487791 B TW I487791B TW 101106750 A TW101106750 A TW 101106750A TW 101106750 A TW101106750 A TW 101106750A TW I487791 B TWI487791 B TW I487791B
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Akinori Murao
Shiro Watakabe
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Description

高爐作業方法
本發明係關於高爐作業方法，是藉由從高爐風口將微粉炭吹入而使燃燒溫度上昇以謀求生產性的提高及減少排放CO2 。
近年來，二氧化碳排放量的增加所造成的地球暖化成為問題，在製鐵業關於如何抑制CO2 排放也是重要的課題。高爐主要是使用焦炭及從風口吹入的微粉炭作為還原材，基於事前處理所產生之二氧化碳排放量的差異，比起焦炭，宜儘量使用微粉炭以抑制CO2 排放。例如在下述專利文獻1，是使用微粉炭比為150kg/t-生鐵以上、揮發分25質量%以下的微粉炭，將微粉炭和氧氣供應給用來從風口吹入燃料之噴槍，使噴槍中的氧濃度成為70vol%以上，藉此提高燃燒效率。此外，在該專利文獻1還提出，當噴槍為單管的情況，是將氧氣和微粉炭的混合物從噴槍吹入；當噴槍為雙重管的情況，從雙重管噴槍的內側管將微粉炭吹入，從雙重管噴槍的外側管將氧氣吹入。又微粉炭比是指每1噸生鐵所使用的微粉炭質量。
此外，在下述專利文獻2，是在雙重管噴槍之外側管設置凹凸而讓微粉炭分散，以促進微粉炭和氧氣的反應。
此外，在下述專利文獻3，在從雙重管的內側管將微粉炭吹入、且從雙重管噴槍的外側管將氧氣吹入的情況， 使雙重管噴槍之內側管比外側管短，亦即使內側管之微粉炭吹出前端部比起外側管之氧氣吹出前端部更靠近吹出方向前側，藉此提高微粉炭和氧氣的接觸性。
[專利文獻1]日本專利第4074467號公報
[專利文獻2]韓國專利公開公報2002-00047359
[專利文獻3]日本特開平6-100912號公報
雖然在風口有大量的空氣進行送風，但噴槍有曝露於高溫之虞，像前述專利文獻1所記載的那樣對單管噴槍供應高濃度的氧氣和微粉炭的混合物，基於安全面並不符合實際。此外，基於進一步要求減少CO2 排放，例如微粉炭比宜為170kg/t-生鐵以上，但在微粉炭比為170kg/t-生鐵以上之高微粉炭比的狀態，即使像前述專利文獻1所記載的那樣單純地從雙重管噴槍的內側管將微粉炭吹入、從外側管將氧氣吹入，燃燒溫度會飽和而無法提高燃燒效率。
此外，流過雙重管噴槍之外側管的氣體也具有將該外側管冷卻的作用，因此像前述專利文獻2所記載之設置於外側管的凹凸那樣存在有阻礙氣體流動者的情況，會對氣流較弱的部分施加熱負荷，而可能發生破裂、熔損等的損耗。當發生這些損耗的情況，有誘發逆火、噴槍堵塞等之虞。此外，當微粉炭量增加時，起因於從內側管噴出之微粉炭必然會造成凸部之摩耗發生。
此外，像前述專利文獻3所記載的那樣單純地使雙重 管噴槍之內側管的前端部比外側管更短時，雖然能提高微粉炭和氧氣之接觸性，因為氧氣流會抑制微粉炭的分散，而無法獲得充分的燃燒性提高效果。
本發明是著眼於上述問題點而開發完成的，其目的是為了提供一種高爐作業方法，能提高燃燒溫度，結果可減少排放CO2 。
為了達成上述目的，本發明提供下述所記載的高爐作業方法。
(1)一種高爐作業方法，準備揮發分25質量%以下的微粉炭，準備用來從風口將微粉炭和氧化性氣體吹入且具有內側管和外側管之雙重管噴槍，從前述風口將熱風吹入，在前述雙重管噴槍之內側管的吹入前端部，將朝軸向凹陷之缺口在周方向設置複數個，從該內側管以150kg/t-生鐵以上的微粉炭比將前述微粉炭和搬運氣體一起吹入，從前述雙重管噴槍之外側管將氧化性氣體吹入，前述搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為35vol%以上。
(2)如(1)所記載之高爐作業方法中，前述缺口是在前述雙重管噴槍之內側管的前端部周方向等間隔地設置。
(3)如(2)所記載之高爐作業方法中，前述缺口的寬度，相對於前述雙重管噴槍之內側管的內周長度所有缺口的寬度 合計之比為超過0、0.5以下。
(4)如(3)所記載之高爐作業方法中，前述缺口的寬度，相對於前述雙重管噴槍之內側管的內周長度所有缺口的寬度合計之比為0.05以上、0.3以下。
(5)如(4)所記載之高爐作業方法中，前述缺口的寬度，相對於前述雙重管噴槍之內側管的內周長度所有缺口的寬度合計之比為0.1以上、0.2以下。
(6)如(2)所記載之高爐作業方法中，前述缺口的深度為超過0mm、12mm以下。
(7)如(6)所記載之高爐作業方法中，前述缺口的深度為2mm以上、10mm以下。
(8)如(7)所記載之高爐作業方法中，前述缺口的深度為3mm以上、7mm以下。
(9)如(2)所記載之高爐作業方法中，以將前述雙重管噴槍之內側管的內周長除以一個缺口寬度時的整數部作為最大缺口數的情況，前述缺口數相對於最大缺口數之缺口數比為超過0、0.8以下。
(10)如(9)所記載之高爐作業方法中，前述缺口數相對於前述最大缺口數之缺口數比為0.1以上、0.6以下。
(11)如(10)所記載之高爐作業方法中，前述缺口數相對於前述最大缺口數之缺口數比為0.2以上、0.5以下。
(12)如(1)所記載之高爐作業方法中，前述氧化性氣體為氧氣，將在送風時濃縮之氧氣的一部分從前述雙重管噴槍之外側管吹入。
(13)如(1)所記載之高爐作業方法中，前述微粉炭具有3質量%以上25質量%以下的揮發分。
(14)如(1)所記載之高爐作業方法中，從前述雙重管噴槍之外側管吹入之氧化性氣體具有20~120m/sec的出口流速。
(15)如(1)所記載之高爐作業方法中，前述微粉炭比為170kg/t-生鐵以上。
(16)如(1)所記載之高爐作業方法中，前述微粉炭比為170kg/t-生鐵以上，前述搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為35vol%以上、未達70vol%。
(17)如(16)所記載之高爐作業方法中，前述搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為40vol%以上65vol%以下。
(18)如(17)所記載之高爐作業方法中，前述搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為45vol%以上60vol%以下。
(19)如(15)所記載之高爐作業方法中，前述微粉炭比為170kg/t-生鐵以上300kg/t-生鐵以下。
(20)如(16)所記載之高爐作業方法中，前述微粉炭比為170kg/t-生鐵以上300kg/t-生鐵以下。
(21)如(1)所記載之高爐作業方法中，前述搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為35vol%以上、未達70vol%。
(22)如(21)所記載之高爐作業方法中，前述搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為40vol%以上65vol%以 下。
(23)如(22)所記載之高爐作業方法中，前述搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為45vol%以上60vol%以下。
(24)如(1)所記載之高爐作業方法中，前述微粉炭比為150kg/t-生鐵以上300kg/t-生鐵以下。
(25)如(1)所記載之高爐作業方法中，前述微粉炭比為150kg/t-生鐵以上、未達170kg/t-生鐵。
(26)如(1)所記載之高爐作業方法中，前述微粉炭比為150kg/t-生鐵以上、未達170kg/t-生鐵，前述搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為35vol以上、未達70vol%。
(27)如(1)至(26)中任一項所記載之高爐作業方法中，在前述微粉炭加入選自廢塑膠、廢棄物固態燃料、有機性資源、廢材、CDQ集塵焦炭所構成群中之至少一者。
(28)如(27)所記載之高爐作業方法中，將前述微粉炭的比例設定成80質量%以上，而使用前述廢塑膠、廢棄物固態燃料、有機性資源、廢材、CDQ集塵焦炭。
如此般，依據本發明之高爐作業方法，用來從風口將燃料吹入之噴槍是採用雙重管，從雙重管噴槍之內側管將微粉炭和搬運氣體一起吹入且從雙重管噴槍之外側管將氧化性氣體吹入，在雙重管噴槍之內側管的吹入前端部設置缺口，將雙重管噴槍中之搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度設定成35vol%以上，藉此即使在微粉炭的 揮發分25質量%以下且微粉炭比為150kg/t以上之高微粉炭比作業狀態，仍能將燃燒溫度昇高，結果可減少排放CO2 。此外，在微粉炭比為170kg/t以上的情況，藉由將雙重管噴槍中之搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度設定成未達70vol%，可抑制氧氣等的氧化性氣體之成本單位。
此外，將缺口在雙重管噴槍之內側管的前端部周方向等間隔地設置複數個，可促進微粉炭及氧化性氣體的擴散，而進一步提高燃燒效率。
此外，將在送風時濃縮之氧氣的一部分作為氧化性氣體而從雙重管噴槍之外側管吹入，不致破壞高爐內的氣體平衡而能避免氧氣之過量供應。
接著，參照圖式說明本發明的高爐作業方法之一實施方式。
第1圖係本實施方式的高爐作業方法所適用的高爐之整體圖。如圖所示般，在高爐1的風口3，連接用來送出熱風之送風管2，並設置貫穿該送風管2之噴槍4。在風口3的熱風送風方向前方之焦炭堆積層，存在有被稱為風徑5之燃燒空間，主要在此燃燒空間進行還原材的燃燒、氣化。
第2圖係顯示從噴槍4作為固體還原材僅將微粉炭6吹入時之燃燒狀態。從噴槍4通過風口3而吹入風徑5內 之微粉炭6是和焦炭7一起，讓其揮發分和固定碳燃燒且揮發分釋出後，所剩下之一般稱為炭之碳與灰分的集合體，是從風徑以未燃炭8的形式排出。風口3之熱風送風方向前方之熱風速度約200m/sec，從噴槍4前端起算之風徑5內之氧氣存在區域約0.3~0.5m，因此實質上必須以1/1000秒的程度改善微粉炭粒子之昇溫及與氧氣之接觸效率(分散性)。
第3圖係顯示從噴槍4朝送風管2內僅將微粉炭(圖中的PC：Pulverized Coal)6吹入的情況之燃燒機制。從風口3朝風徑5內吹入之微粉炭6，藉由風徑5內之火焰的輻射傳熱而將粒子加熱，進一步藉由輻射傳熱、傳導傳熱而使粒子溫度急劇上昇，從昇溫至300℃以上的時點開始進行熱分解，揮發分著火而形成火焰時燃燒溫度到達1400~1700℃。當揮發分釋出後成為前述炭8。炭8主要為固定碳，除了燃燒反應以外，也會產生溶損反應、氫氣轉移反應等被稱為碳溶解反應的反應。
第4圖係顯示從噴槍4朝送風管2內與微粉炭6一起地將作為氧化性氣體之氧氣9吹入的情況之燃燒機制。微粉炭6和氧氣9吹入方法是顯示單純地平行吹入的情況。又圖中之二點鏈線，是作為參考而顯示第3圖所示之僅將微粉炭吹入的情況之燃燒溫度。如此般將微粉炭和氧氣同時吹入的情況，在噴槍附近可促進微粉炭和氧氣的混合，而能更早開始讓微粉炭燃燒，藉此在接近噴槍的位置使燃燒溫度更加上昇。
根據上述認知，使用第5圖所示之燃燒實驗裝置進行燃燒實驗。模擬高爐內部而在實驗爐11內填充焦炭，可從觀察窗觀察風徑15的內部。將噴槍14插入送風管12內，作為從熱風爐往高爐送風之熱風，將燃燒器13所產生的熱風以既定送風量朝實驗爐11內送風。此外，在該送風管12也能調整送風的氧濃縮量。噴槍14可將微粉炭及氧氣之任一方或雙方吹入送風管12內。在實驗爐11內產生的排氣，藉由稱為旋風分離器之分離裝置16分離成排氣和粉塵，排氣被送到助燃爐等的排氣處理設備，粉塵則藉由捕集箱17捕集。
微粉炭的成分為固定碳(FC：Fixed Carbon)71.4%、揮發分(VM：Volatile Matter)19.5%、灰分(Ash)9.1%。送風條件為送風溫度1200℃、流量300Nm3 /h、風口前端風速130m/s、氧濃縮6%(氧濃度27.0%，相對於空氣中氧濃度21%是濃縮6.0%)。作為微粉炭吹入條件，噴槍14採用雙重管噴槍，從雙重管噴槍之內側管將微粉炭吹入，從雙重管噴槍之外側管將作為氧化性氣體之氧氣吹入。微粉炭是和搬運氣體一起吹入，微粉炭的搬運氣體是使用氮氣。微粉炭和用來搬運微粉炭之搬運氣體的固氣比，在以較少氣體量輸送粉體、亦即微粉炭的方式(高濃度搬運)採用固氣比10~25kg/Nm3 ，在以多量氣體輸送的方式(低濃度搬運)採用固氣比5~10kg/Nm3 。搬運氣體除了氮氣以外，也能使用空氣。而且，將微粉炭比在100kg/t~180kg/t之間進行各種改變，特別針對微粉炭流的變化做實驗。又作為氧 化性氣體而將氧氣吹入的情況，是使用在送風時濃縮之氧氣的一部分，使吹入爐內之氧氣總量不改變。此外，作為氧化性氣體也能使用氧濃縮空氣。
經由此實驗本發明人等進一步獲得以下的認知。亦即，從雙重管噴槍之內側管將微粉炭吹入、從外側管將氧化性氣體、亦即氧氣吹入的情況，即使微粉炭揮發分為25質量%以下，只要是在微粉炭比未達150kg/t之低微粉炭比作業狀態，藉由提高氧濃度可昇高燃燒溫度。然而，在微粉炭比為150kg/t以上之高微粉炭比作業狀態，即使提高氧濃度仍無法使燃燒溫度昇高。在微粉炭比為150kg/t以上的區域，在氧濃度35vol%左右燃燒溫度達飽和。這是因為如後述般，從雙重管噴槍之內側管吹入之微粉炭集中(也稱濃化)於吹入流之中央部分，而變得不容易與從雙重管噴槍之外側管吹入之氧氣接觸，或是無法接觸。於是，本發明是使用兩根的雙重管噴槍，將從各個雙重管噴槍之內側管吹入的微粉炭量減少。另一方面，即使是在使用兩根雙重管噴槍的情況，在微粉炭比為170kg/t以上的區域，在氧濃度70vol%以上時燃燒溫度達飽和而無法昇高。亦即，即使將氧濃度進一步增高，僅是增加氧成本單位而無法使燃燒效率提高。又在雙重管噴槍之內側管設置缺口的情況，不同於突設阻擋板等的突起物的情況，不致發生因微粉炭碰撞突起物而造成突起物損耗等的問題。
第6(a)圖係顯示微粉炭比未達150kg/t之低微粉炭比 作業狀態之微粉炭流。因為實驗是使用噴槍形狀為一定直徑之直管，微粉炭的分散寬度大致一定。如此般微粉炭比低的情況，在分散寬度內微粉炭流成為大致均一的濃度。然而在微粉炭比為150kg/t以上之高微粉炭比作業狀態，如第6(b)圖所示般，在分散寬度內的中央部發生濃化，特別是在微粉炭比為170kg/t以上之高微粉炭比作業狀態，微粉炭流的中央部顯著地濃化。因為氧氣是從雙重管噴槍之外側管吹入，因此在微粉炭流之中央部濃化後之微粉炭無法與氧氣接觸，保持未燃燒的狀態導入爐內而使高爐內的通氣變差。縱使為了促進與氧氣之接觸而將氧氣吹入量增加，如第6(c)圖所示般當氧氣吹入量成為一定量以上時，在周圍氧流之中央部微粉炭流會更加濃化，實質上無法促進與氧氣之接觸，如後述般燃燒溫度仍會飽和。
第7圖係顯示本實施方式之雙重管噴槍4的吹入前端部之詳細構造，第7(a)圖為縱截面圖，第7(b)圖為第7(a)圖之A-A截面圖。在本實施方式，如第7圖所示般，是在雙重管噴槍4之內側管21的吹入前端部設置缺口23，通過該缺口23使微粉炭6和作為氧化性氣體之氧氣9互相擴散，藉此形成讓兩者效率良好地接觸之狀態，而將燃燒溫度提高。缺口23，例如內側管21的內徑φ16mm左右的情況，是形成5mm×5mm左右的方形截面，在內側管21的周方向以90度的等間隔設有4個。外側管22為直管。又缺口23形狀並不限定於前述說明，如後述般，例如為三角形、U字形等亦可，此外，缺口23個數也不限 定於前述說明。
如此般在雙重管噴槍4之內側管21的吹入前端部設置缺口23時，如第8(a)圖所示般，通過該缺口23使微粉炭6和作為氧化性氣體之氧氣9互相擴散、接觸，而能將燃燒溫度昇高。相對於此，在內側管21的吹入前端部未設置缺口之習知雙重管噴槍4，如第8(b)圖所示般，微粉炭6僅在作為氧化性氣體之氧氣9的中央部發生濃化，與氧氣9的接觸量減少而使燃燒溫度飽和。又如前述般，在雙重管噴槍4之內側管21設置缺口23的情況，不同於突設阻擋板等的突起物的情況，不致發生因微粉炭碰撞突起物而造成突起物損耗等的問題。
第9圖顯示，微粉炭比為150kg/t、微粉炭揮發分25質量%以下、送風條件一定、氧氣濃縮率一定，使用在內側管21之吹入前端部設置缺口23之雙重管噴槍4的情況、和使用在內側管21之吹入前端部未設置缺口之雙重管噴槍4的情況之燃燒溫度(以燃燒率表示)。都是從雙重管噴槍4之內側管將微粉炭吹入，從外側管將作為氧化性氣體之氧氣吹入。從圖中可看出，使用在內側管21未設置缺口之雙重管噴槍4的情況，噴槍中用來搬運微粉炭之搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為35vol%以上時燃燒溫度會飽和。亦即，在內側管21未設置缺口之雙重管噴槍4的情況，即使氧濃度為35vol%以上仍無法提高燃燒溫度。相對於此，使用在內側管21設置缺口23之雙重管噴槍4的情況，即使搬運氣體和氧化性氣體 所組成之氣體的氧濃度為35vol%以上燃燒溫度仍會變高。這代表著，在微粉炭比150kg/t以上、未達170kg/t的區域，從雙重管噴槍4吹入之微粉炭流不會發生濃化。
然而，另一方面，即使是使用在內側管21設置缺口23之雙重管噴槍4的情況，當微粉炭比為170kg/t以上的情況，如第10圖所示般，噴槍中之搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為70vol%以上時，燃燒溫度會飽和，即使氧濃度進一步提高燃燒溫度仍無法昇高。亦即，在微粉炭比170kg/t以上的區域，當噴槍中之搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為70vol%以上時，僅造成氧氣成本單位增加而無法提高燃燒效率。因此，即使是使用在內側管21設置缺口23之雙重管噴槍4的情況，仍必須將微粉炭比設定成150kg/t以上、未達170kg/t，或在微粉炭比為170kg/t的情況將搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度設定成35vol%以上、未達70vol%，較佳為40vol%以上65vol%以下，更佳為45vol%以上60vol%以下。又微粉炭比的上限為300kg/t以下，較佳為250kg/t以下。
此外，從內側管21之徑向觀察時之缺口23形狀，可為第11(a)圖所示之四角形、第11(b)圖所示之三角形、第11(c)圖所示之U字形等，缺口大小是單純地以缺口21之開口寬度、和從缺口21的開口至底部的深度表示。此外，缺口23之前端中心與下端中心所構成的角度θ，具體而言是缺口23的開口中心和底部中心之連結線與連結 該開口之弦所構成的角度θ，如第12圖所示宜為30~90°。針對該缺口形狀，特別是將大小做各種改變時之氧氣和微粉炭的接觸面積、微粉炭的分散寬度進行實驗。實驗如第13圖所示般，是從雙重管噴槍之內側管及外側管、亦即從微粉炭流路及氧氣流路分別讓煙流過，將從微粉炭流路流出的煙和從氧氣流路流出的煙之重疊區域的面積作為氧氣和微粉炭之接觸面積，而藉由影像解析來算出，並根據從微粉炭流路流出的煙之展開角度來求出微粉炭的分散寬度。實驗主要是針對從內側管的徑向觀察時的缺口形狀為四角形者進行。
首先，第14圖係顯示將缺口寬度做各種改變時之氧氣和微粉炭的接觸面積及微粉炭的分散寬度。缺口寬度，是以相對於內側管的內周長度之所有缺口寬度合計的比來表示，氧氣和微粉炭之接觸面積及微粉炭的分散寬度，是以使用未設置缺口之內側管時的比率來表示。從圖中可明白，若缺口寬度變大，氧氣和微粉炭的接觸面積、微粉炭的分散寬度都會變大，但微粉炭的分散寬度從某個點開始有減少的傾向。這是因為，若缺口寬度變大，雖然氧氣和微粉炭的混合性變佳，但當缺口寬度過大時，氧氣會流入雙重管噴槍之徑向內側而抑制微粉炭的分散。因此，缺口寬度，相對於內側管外周之所有缺口寬度合計比較佳為超過0、0.5以下，更佳為0.05以上、0.3以下，特佳為0.1以上、0.2以下。
此外，第15圖係顯示將缺口深度做各種改變時之氧 氣和微粉炭的接觸面積及微粉炭的分散寬度。缺口深度是以深度本身的尺寸表示，氧氣和微粉炭的接觸面積及微粉炭的分散寬度，是以使用未設置缺口之內側管時的比率表示。從圖中可明白，若缺口深度變大，氧氣和微粉炭的接觸面積、微粉炭的分散寬度都會變大，但微粉炭的分散寬度從某個點開始有減少的傾向。這是因為，若缺口深度變大，氧氣和微粉炭的混合性雖會變佳，但當缺口深度過大時，會使噴槍前端的流動穩定化，因而抑制微粉炭的分散。因此，缺口深度尺寸宜為超過0、12mm以下，更佳為2mm以上、10mm以下，特佳為3mm以上、7mm以下。
此外，第16圖係顯示將缺口數量做各種改變時之氧氣和微粉炭的接觸面積及微粉炭的分散寬度。缺口數是以相對於最大缺口數之缺口數比來表示，氧氣和微粉炭的接觸面積及微粉炭的分散寬度，是以使用未設置缺口之內側管時的比率表示。又最大缺口數，是指將內側管的內周長除以缺口寬度時的整數部，具體而言是指內側管最多能形成幾個既定寬度的缺口。從圖中可明白，若缺口數變多，氧氣和微粉炭的接觸面積、微粉炭的分散寬度都會變大，但微粉炭的分散寬度從某個點開始有減少的傾向。這是因為，若缺口數變多，氧氣和微粉炭的混合性、微粉炭的分散性雖會變佳，但缺口數過多時，流過內側管之氧氣比率變大，因此抑制微粉炭的分散。因此，缺口數宜為相對於最大缺口數之缺口數比超過0、0.8以下，更佳為0.1以 上、0.6以下，特佳為0.2以上、0.5以下。
此外，第17圖係顯示，在缺口形狀為四角形的情況和三角形的情況，將該等的缺口寬度做各種改變時之氧氣和微粉炭的接觸面積及微粉炭的分散寬度。第17圖，是在前述第14圖中加入三角形缺口的實驗結果。缺口寬度，是以相對於內側管的內周長度之所有缺口寬度合計的比來表示，氧氣和微粉炭的接觸面積及微粉炭的分散寬度是以使用未設置缺口之內側管時的比率表示。從圖中可明白，缺口形狀為四角形的情況和三角形的情況都是，若缺口寬度變大，氧氣和微粉炭的接觸面積、微粉炭的分散寬度都會變大，但微粉炭的分散寬度從某個點開始有減少的傾向。關於其理由，在缺口形狀為三角形的情況也是與前述第14圖的說明同樣地，若缺口寬度變大，氧氣和微粉炭的混合性會變佳，但缺口寬度過大時，氧氣會流入雙重管噴槍之徑向內側而抑制微粉炭的分散。因此，缺口寬度，不論缺口形狀如何，相對於內側管外周之所有缺口寬度合計的比宜為超過0、0.5以下，更佳為0.05以上、0.3以下，特佳為0.1以上、0.2以下。
然而，隨著前述般之燃燒溫度上昇，雙重管噴槍之外側管容易曝露於高溫。噴槍例如是由不鏽鋼鋼管所構成。雖會有在噴槍外側實施所謂水套之水冷的例子，乃無法套蓋到噴槍前端。可知，特別是在未實施水冷之雙重管噴槍之外側管的前端部容易受熱而變形。當噴槍變形、亦即彎曲時，可能無法朝期望部位將氣體和微粉炭吹入，或對屬 於消耗品之噴槍的更換作業造成阻礙。此外，可能也會使微粉炭流改變而碰到風口，在此情況會有風口發生損傷之虞。此外，若雙重管噴槍之外側管彎曲，其與內側管之間隙會被封閉，當使來自外側管之氣體變得無法流動時，雙重管噴槍之外側管會發生熔損，按照情況也會有送風管發生破損的可能性。若噴槍變形或損耗，無法確保前述燃燒溫度，甚至無法降低還原材成本單位。
為了將無法水冷之雙重管噴槍之外側管予以冷卻，必須利用流過內部的氣體來進行冷卻。當朝流過內部的氣體散熱而例如將雙重管噴槍的外側管本身冷卻的情況，可想像氣體流速會影響噴槍溫度。於是，本發明人等，將從雙重管噴槍之外側管吹入之氣體流速做各種改變而測定噴槍表面的溫度。實驗是從雙重管噴槍之外側管將氧氣吹入並從內側管將微粉炭吹入，為了調整氣體的流速，是將從外側管吹入之氧氣供應量予以增減。又氧氣亦可為氧濃縮空氣，可使用2%以上、較佳為10%以上之氧濃縮空氣。藉由使用氧濃縮空氣，除冷卻以外還能謀求微粉炭燃燒性的提高。測定結果顯示於第18圖。
雙重管噴槍之外側管是使用被稱為20A Schedule 5S之鋼管。此外，雙重管噴槍之內側管係使用被稱為15A Schedule 90之鋼管，將從外側管吹入之氧氣和氮氣之合計流速做各種改變而測定噴槍表面溫度。附帶一提的，「15A」、「20A」是JIS G 3459所規定之鋼管外徑的公稱尺寸，15A為外徑21.7mm，20A為外徑27.2mm。此 外，「Schedule」是JIS G 3459所規定之鋼管壁厚之公稱尺寸，20A Schedule 5S為1.65mm，15A Schedule 90為3.70mm。又除了不鏽鋼鋼管以外，也能利用普通鋼。這個情況之鋼管外徑是依JIS G 3452所規定，壁厚是依JIS G 3454所規定。
如圖中之二點鏈線所示，隨著從雙重管噴槍之外側管吹入之氣體流速增加，噴槍表面溫度會成反比地降低。雙重管噴槍是使用鋼管的情況，雙重管噴槍之表面溫度超過880℃時發生蠕變變形，而使雙重管噴槍彎曲。因此，雙重管噴槍之外側管是使用20A Schedule 5S鋼管且雙重管噴槍表面溫度為880℃以下的情況，雙重管噴槍之外側管的出口流速成為20m/sec以上。而且，當雙重管噴槍之外側管的出口流速為20m/sec以上的情況，雙重管噴槍不會發生變形、彎曲。另一方面，若雙重管噴槍之外側管的出口流速超過120m/sec，基於設備運用成本之觀點並不符合實用，因此將雙重管噴槍之外側管的出口流速上限定為120m/sec。附帶一提的，比起雙重管噴槍由於單管噴槍之熱負荷少，按照需要將出口流速設定成20m/sec以上即可。
在前述實施方式，所使用的微粉炭之平均粒子徑為10~100μm，但考慮到確保燃燒性、從噴槍之輸送以及朝噴槍之供應性時，較佳為20~50μm。當微粉炭之平均粒子徑未達20μm時，雖燃燒性優異但在微粉炭輸送時(氣體輸送)時噴槍容易堵塞，超過50μm時微粉炭燃燒性有惡化之 虞。
此外，作為從雙重管噴槍之內側管吹入的微粉炭，除了可使用具有25質量%以下揮發分之煤以外，也能使用無煙炭作為固體還原材。無煙炭具有3~5質量%的揮發分。因此，在本發明，所使用的微粉炭是包含無煙炭，而以具有3質量%以上25質量%以下的揮發分之微粉炭來表示。
此外，吹入的固體還原材是以微粉炭為主，其中也能使用廢塑膠、廢棄物固態燃料(RDF)、有機性資源(生質)、廢材、CDQ集塵焦炭。CDQ集塵焦炭是藉由乾式滅火裝置(CDQ)所集塵的焦炭粉。在使用時，微粉炭相對於全固體還原材的比宜為80質量%以上。亦即，微粉炭，和廢塑膠、廢棄物固態燃料(RDF)、有機性資源(生質)、廢材、CDQ集塵焦炭等在反應所產生的熱量不同，若彼此的使用比率接近時燃燒容易發生偏差而造成作業不穩定。此外，比起微粉炭，由於廢塑膠、廢棄物固態燃料(RDF)、有機性資源(生質)、廢材等經由燃燒反應所產生的發熱量低，當大量吹入時，對於從爐頂裝入之固體還原材的代替效率降低，又CDQ集塵焦炭雖然發熱量高，但因不具揮發分而不容易著火故代替效率不佳，因此微粉炭比例宜為80質量%以上。
又廢塑膠、廢棄物固態燃料(RDF)、有機性資源(生質)、廢材，能以6mm以下、較佳為3mm以下細粒的形式與微粉炭一起使用。此外，CDQ集塵焦炭可直接使 用。其與微粉炭的混合，能與藉由搬運氣體搬運之微粉炭合流而進行混合。或事先和微粉炭混合而使用亦可。
如此般，依據本實施方式之高爐作業方法，用來從風口3將燃料吹入之噴槍4是採用雙重管，從雙重管噴槍4之內側管21將微粉炭吹入，且從兩根雙重管噴槍4之外側管22將氧氣(氧化性氣體)吹入，在雙重管噴槍4之內側管21的吹入前端部設置缺口23，將用來搬運微粉炭之搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度設定成35vol%以上，藉此即使在微粉炭揮發分25質量%以下且微粉炭比為150kg/t以上之高微粉炭比作業狀態，仍能將燃燒溫度昇高，結果可減少排放CO2 。此外，在微粉炭比為170kg/t以上的情況，將用來搬運微粉炭之搬運氣體和氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度設定成未達70vol%，藉此可抑制氧成本單位。
此外，將缺口23在雙重管噴槍4之內側管21的前端部周方向等間隔地設置複數個，可促進微粉炭及氧化性氣體的擴散，而進一步提高燃燒效率。
此外，將在送風時濃縮之氧氣的一部分(作為氧化性氣體)而從雙重管噴槍4之外側管22吹入，不致破壞高爐內的氣體平衡而能避免氧氣之過量供應，且能降低所使用的氧成本單位。
1‧‧‧高爐
2‧‧‧送風管
3‧‧‧風口
4‧‧‧噴槍
5‧‧‧風徑
6‧‧‧微粉炭
7‧‧‧焦炭
8‧‧‧炭
9‧‧‧氧氣
21‧‧‧內側管
22‧‧‧外側管
23‧‧‧缺口
第1圖係顯示本發明的高爐作業方法所適用之高爐的 一實施方式之縱截面圖。
第2圖係從第1圖的噴槍僅將微粉炭吹入時的燃燒狀態說明圖。
第3圖係第2圖的微粉炭之燃燒機制的說明圖。
第4圖係將微粉炭和氧氣吹入時之燃燒機制的說明圖。
第5圖係燃燒實驗裝置的說明圖。
第6(a)~(c)圖係微粉炭流的濃化之說明圖。
第7(a)圖和第7(b)圖係第1圖的噴槍之吹入前端部的詳細構造圖。
第8(a)圖和第8(b)圖是第7圖的噴槍及直管所構成的噴槍之微粉炭流的說明圖。
第9圖係微粉炭比為150kg/t-生鐵以上、未達170kg/t-生鐵時之噴槍供應氣體中的氧濃度和燃燒率的關係圖。
第10圖係微粉炭比為170kg/t-生鐵以上時之噴槍供應氣體中的氧濃度和燃燒率的關係圖。
第11(a)~(c)圖係從內側管的徑向觀察時之缺口形狀的說明圖。
第12(a)圖和第12(b)圖係缺口的前端中心和下端中心所構成的角度θ的說明圖。
第13圖係氧氣和微粉炭的接觸面積及微粉炭的分散寬度之實驗說明圖。
第14圖係將缺口寬度改變時之氧氣和微粉炭的接觸 面積及微粉炭的分散寬度之說明圖。
第15圖係將缺口深度改變時之氧氣和微粉炭的接觸面積及微粉炭的分散寬度之說明圖。
第16圖係將缺口數改變時之氧氣和微粉炭的接觸面積及微粉炭的分散寬度之說明圖。
第17圖係缺口形狀為四角形的情況和三角形的情況，將該等缺口的寬度改變時之氧氣和微粉炭的接觸面積及微粉炭的分散寬度之說明圖。
第18圖係顯示噴槍的出口流速和噴槍表面溫度的關係之說明圖。

Claims (26)

  1. 一種高爐作業方法，係準備揮發分25質量%以下的微粉炭，準備用來從風口將前述微粉炭和氧化性氣體吹入且具有內側管和外側管之雙重管噴槍，從前述風口將熱風吹入，在前述雙重管噴槍之內側管的吹入前端部，將朝軸向凹陷之缺口在周方向設置複數個，前述缺口的寬度，相對於前述雙重管噴槍之內側管的內周長度所有缺口的寬度合計之比為0.05以上、0.5以下，前述缺口的深度為2mm以上、12mm以下，從該內側管以150kg/t-生鐵以上的微粉炭比將前述微粉炭和搬運氣體一起吹入，從前述雙重管噴槍之外側管將前述氧化性氣體吹入，前述搬運氣體和前述氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為35vol%以上。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之高爐作業方法，其中，前述缺口是在前述雙重管噴槍之內側管的前端部周方向等間隔地設置。
  3. 如申請專利範圍第2項所記載之高爐作業方法，其中，前述缺口的寬度，相對於前述雙重管噴槍之內側管的 內周長度所有缺口的寬度合計之比為0.05以上、0.3以下。
  4. 如申請專利範圍第3項所記載之高爐作業方法，其中，前述缺口的寬度，相對於前述雙重管噴槍之內側管的內周長度所有缺口的寬度合計之比為0.1以上、0.2以下。
  5. 如申請專利範圍第1項所記載之高爐作業方法，其中，前述缺口的深度為2mm以上、10mm以下。
  6. 如申請專利範圍第5項所記載之高爐作業方法，其中，前述缺口的深度為3mm以上、7mm以下。
  7. 如申請專利範圍第2項所記載之高爐作業方法，其中，以將前述雙重管噴槍之內側管的內周長除以一個缺口寬度時的整數部作為最大缺口數的情況，前述缺口數相對於最大缺口數之缺口數比為超過0、0.8以下。
  8. 如申請專利範圍第7項所記載之高爐作業方法，其中，前述缺口數相對於前述最大缺口數之缺口數比為0.1以上、0.6以下。
  9. 如申請專利範圍第8項所記載之高爐作業方法，其中， 前述缺口數相對於前述最大缺口數之缺口數比為0.2以上、0.5以下。
  10. 如申請專利範圍第1項所記載之高爐作業方法，其中，前述氧化性氣體為氧氣，將在送風時濃縮之氧氣的一部分從前述雙重管噴槍之外側管吹入。
  11. 如申請專利範圍第1項所記載之高爐作業方法，其中，前述微粉炭具有3質量%以上25質量%以下的揮發分。
  12. 如申請專利範圍第1項所記載之高爐作業方法，其中，從前述雙重管噴槍之外側管吹入之前述氧化性氣體具有20~120m/sec的出口流速。
  13. 如申請專利範圍第1項所記載之高爐作業方法，其中，前述微粉炭比為170kg/t-生鐵以上。
  14. 如申請專利範圍第1項所記載之高爐作業方法，其中，前述微粉炭比為170kg/t-生鐵以上，前述搬運氣體和前述氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為35vol%以上、未達70vol%。
  15. 如申請專利範圍第14項所記載之高爐作業方法，其中， 前述搬運氣體和前述氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為40vol%以上65vol%以下。
  16. 如申請專利範圍第15項所記載之高爐作業方法，其中，前述搬運氣體和前述氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為45vol%以上60vol%以下。
  17. 如申請專利範圍第13項所記載之高爐作業方法，其中，前述微粉炭比為170kg/t-生鐵以上300kg/t-生鐵以下。
  18. 如申請專利範圍第14項所記載之高爐作業方法，其中，前述微粉炭比為170kg/t-生鐵以上300kg/t-生鐵以下。
  19. 如申請專利範圍第1項所記載之高爐作業方法，其中，前述搬運氣體和前述氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為35vol%以上、未達70vol%。
  20. 如申請專利範圍第19項所記載之高爐作業方法，其中，前述搬運氣體和前述氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為40vol%以上65vol%以下。
  21. 如申請專利範圍第20項所記載之高爐作業方法，其中， 前述搬運氣體和前述氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為45vol%以上60vol%以下。
  22. 如申請專利範圍第1項所記載之高爐作業方法，其中，前述微粉炭比為150kg/t-生鐵以上300kg/t-生鐵以下。
  23. 如申請專利範圍第1項所記載之高爐作業方法，其中，前述微粉炭比為150kg/t-生鐵以上、未達170kg/t-生鐵。
  24. 如申請專利範圍第1項所記載之高爐作業方法，其中，前述微粉炭比為150kg/t-生鐵以上、未達170kg/t-生鐵，前述搬運氣體和前述氧化性氣體所組成之氣體的氧濃度為35vol%以上、未達70vol%。
  25. 如申請專利範圍第1至24項中任一項所記載之高爐作業方法，其中，在前述微粉炭加入選自廢塑膠、廢棄物固態燃料、有機性資源、廢材、CDQ集塵焦炭所構成群中之至少一者。
  26. 如申請專利範圍第25項所記載之高爐作業方法，其中，將前述微粉炭的比例設定成80質量%以上，而使用前述廢塑膠、廢棄物固態燃料、有機性資源、廢材、CDQ 集塵焦炭。
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