TWI758977B - 高爐的作業方法 - Google Patents

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日商日鐵技術股份有限公司
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Abstract

根據本發明之一觀點，提供一種高爐的作業方法，其特徵在於按以下諸等條件將含有80mol%以上氫氣之含高濃度氫之氣體從風口吹入：高濃度氫之氣體的吹入溫度為常溫以上且在300℃以下，且含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為200Nm3 /t以上且在500Nm3 /t以下之條件；含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於300℃且在600℃以下，且含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為145Nm3 /t以上之條件；或者，含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃且在900℃以下，且含高濃度氫之氣體的吹入量為125Nm3 /t以上之條件。

Description

高爐的作業方法
本發明涉及高爐的作業方法。 本案係依據2019年11月29日於日本提申之特願2019-216568號及2020年5月27日於日本提申之特願2020-092467號主張優先權，並於此援引其內容。
於鋼鐵製造業中，高爐法擔當生鐵製程的主流。於高爐法中，從高爐之爐頂將高爐用鐵系原料(包含氧化鐵的原料，主要為燒結礦，以下亦簡稱為「鐵系原料」)及焦碳交互且層狀地裝入高爐內，另一方面，從高爐下部之風口將熱風吹入高爐內。熱風係藉由與連同熱風吹入的粉煤以及高爐內的焦碳進行反應，而產生高溫還原氣體(在此主要係CO氣體)。亦即，熱風會使焦碳及粉煤氣體化。還原氣體在高爐內上升，而加熱並同時還原鐵系原料。鐵系原料在高爐內下降，一邊被還原氣體加熱及還原。其後，鐵系原料會熔融，並藉由焦碳進一步還原，同時在高爐內滴下。鐵系原料最後作為含有略小於5質量%碳之熔銑(生鐵)積存在爐床部。爐床部之熔銑係從出鐵口取出，並供至後續之製鋼製程。因此，高爐法中係使用焦碳及粉煤等碳材作為還原材。
然而，近年來，人們高聲疾呼防止地球暖化，溫室氣體之一的二氧化碳(CO2 氣體)的排放減量已成為社會問題。如上所述，高爐法由於使用碳材作為還原材，故會產生大量CO2 氣體。因此，鋼鐵業身為CO2 氣體排放量方面的主要產業之一，必須回應該社會訴求。具體而言，在高爐作業上進一步削減還原材比(每1噸熔銑之還原材使用量)遂成當務之急。
還原材有在爐內形成熱能使裝入物升溫之作用、與將爐內鐵系原料還原之作用，要減低還原材比必須提高爐內的還原效率。爐內的還原反應可以各種反應式表示。該等還原反應之中，利用焦碳之直接還原反應(反應式：FeO+C⇒Fe+CO)係伴隨大量吸熱的吸熱反應。因此，極力不使該反應發生，這件事在減低還原材比上就變得很重要。由於該直接還原反應係在高爐爐下部中產生的反應，因此若能在鐵系原料達至爐下部前以CO、H2 等還原氣體充分還原鐵系原料，便可減少作為直接還原反應之對象的鐵系原料。
作為用以解決上述課題之習知技術，例如已知有如專利文獻1~6所揭示這般，從風口連同熱風吹入還原氣體(H2 氣體、COG(Cokes Oven Gas)、天然氣、都市瓦斯等)，藉此使爐內之還原氣體潛勢提升的技術。還原氣體為含碳還原氣體(氣體的分子結構包含碳原子之還原氣體，例如烴氣)時，含碳氣體中的碳原子會在高爐內成為CO氣體，將鐵系原料還原。還原氣體為氫氣(H2 氣體)時，氫氣會將鐵系原料還原。藉此，可減少作為直接還原反應之對象的鐵系原料。另，以下說明中，只要未特別定義，則「碳」、「氫」分別意指碳原子、氫原子。
先前技術文獻 專利文獻 專利文獻1：日本專利第6019893號公報 專利文獻2：日本專利第5987773號公報 專利文獻3：日本專利第5050706號公報 專利文獻4：日本專利第5770124號公報 專利文獻5：日本專利第5315732號公報 專利文獻6：日本專利第5851828號公報
發明欲解決之課題 然而，專利文獻1~6所揭示之技術中，從風口吹入之還原氣體的吹入量少，削減CO2 排放量的效果小。
因此，本發明係有鑑於上述問題而做成者，本發明之目的在於提供一種新穎且經改良之高爐的作業方法，該作業方法可穩定維持高爐作業，同時增加從風口吹入作為還原氣體之含高濃度氫之氣體的吹入量，進一步削減CO2 排放量。
用以解決課題之手段 為了解決上述課題，根據本發明之一觀點，提供一種高爐的作業方法，其特徵在於按以下條件將含有80mol%以上氫氣之含高濃度氫之氣體從風口吹入：含高濃度氫之氣體的吹入溫度為常溫以上且在300℃以下，且含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為200Nm3 /t以上且在500Nm3 /t以下之條件；含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於300℃且在600℃以下，且含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為145Nm3 /t以上之條件；含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃且在900℃以下，且含高濃度氫之氣體的吹入量為125Nm3 /t以上之條件；含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於900℃且在1200℃以下，且含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為110Nm3 /t以上之條件；或者，含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於1200℃，且含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為100Nm3 /t以上之條件。
在此，亦可為含高濃度氫之氣體的吹入溫度為常溫以上且在300℃以下，且含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為200Nm3 /t以上且在300Nm3 /t以下。
又，亦可為含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於300℃且在600℃以下，且含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為145Nm3 /t以上且在600Nm3 /t以下。
又，亦可將風口前溫度設為2050℃以下。
又，亦可將風口前溫度設為高於2050℃且在2150℃以下。
又，亦可將風口前溫度設為高於2150℃且在2250℃以下。
又，含高濃度氫之氣體的吹入溫度亦可高於600℃且在1400℃以下。
又，含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃時，亦可將含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量設為1000Nm3 /t以下。
又，含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃，且含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量達400Nm3 /t以上時，亦可將風口前溫度設為2050℃以下。
根據本發明之其他觀點可提供一種高爐的作業方法，其特徵在於：依每個風口前溫度事先求算吹入量-碳消耗參數相關關係，根據該吹入量-碳消耗參數相關關係決定碳消耗量較現況作業更減低之含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量，並且按該決定出之吹入量將含高濃度氫之氣體從風口吹入；前述吹入量-碳消耗參數相關關係為含有80mol%以上氫氣之含高濃度氫之氣體的吹入溫度為預定值時，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量與涉及碳消耗量之碳消耗參數的相關關係。
又，亦可依每個含高濃度氫之氣體的吹入溫度求算含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量-碳消耗參數相關關係。
又，亦可依每個風口前溫度事先求算吹入量-壓力損失變化量相關關係，並且根據該吹入量-碳消耗參數相關關係及該吹入量-壓力損失變化量相關關係決定碳消耗量較現況作業更減低且壓力損失的變化量達預定範圍內之值之含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量；前述吹入量-壓力損失變化量相關關係為含高濃度氫之氣體的吹入溫度為預定值時，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量與相對於基本作業之壓力損失的變化量之相關關係。
又，亦可依每個風口前溫度事先求算吹入量-爐頂氣體溫度變化量相關關係，並且根據該吹入量-碳消耗參數相關關係及該吹入量-爐頂氣體溫度變化量相關關係決定碳消耗量較現況作業更減低且爐頂氣體溫度的變化量達預定範圍內之值之含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量；前述吹入量-爐頂氣體溫度變化量相關關係為含高濃度氫之氣體的吹入溫度為預定值時，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量與相對於基本作業之爐頂氣體溫度的變化量之相關關係。
發明效果 如以上所說明，根據本發明之上述觀點，可穩定維持高爐作業，同時增加從風口吹入作為還原氣體之含高濃度氫之氣體的吹入量，進一步削減CO2 排放量。
以下，參照所附圖式並且詳細說明本發明之較佳實施形態。又，本實施形態中，使用「~」表示之數值範圍係指包含「~」之前後記載的數值作為下限值及上限值之範圍。另，「還原材比」係製造1噸熔銑所需之還原材的合計質量。因此，還原材比基本上係製造1噸熔銑所需之焦碳及粉煤的合計質量，含高濃度氫之氣體中的含碳還原氣體之質量視為不包括在還原材比中。另，「碳消耗基本單位(Input C)」係製造1噸熔銑所需之碳(亦即每1噸熔銑的碳消耗量)。「碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC」意指相對於基本作業之碳消耗基本單位的削減比率，前述基本作業係不吹入含高濃度氫之氣體之作業。若令以單位kg/t計之基本作業的Input C為A，以單位kg/t計之某作業時的Input C為B，則Input ΔC係以下述數學式表示。 Input ΔC=(A-B)/A×100(%) 碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC愈大，還原材比亦愈削減，進而可削減CO2 排放量。
＜1.本案發明人之知識見解＞ 本案發明人為了解決上述課題，著眼於含高濃度氫之氣體來作為還原氣體。在此，本實施形態中，含高濃度氫之氣體意指含有80mol%以上之氫氣(氫氣相對於構成含高濃度氫之氣體之所有氣體的總物質量之mol%)的氣體。純氫氣(氫氣濃度達100mol%之氣體)包括在含高濃度氫之氣體中。
並且，本案發明人著眼於含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量(以下亦簡稱吹入量)及含高濃度氫之氣體的吹入溫度。藉由含高濃度氫之氣體中之氫氣還原鐵系原料的反應為吸熱反應。為了補償由吸熱反應所致之溫度降低，可考慮提高該氫氣的吹入溫度。然而，要掌握吹入大量含高濃度氫之氣體中之氫氣時爐內溫度的降低量、及因應該爐內溫度的降低量求算之熱補償的程度等甚為困難，至今尚未就該等進行詳細研討。針對上述事項，由本案發明人等初次進行了詳細研討。具體而言，係掌握在含高濃度氫之氣體中之氫氣與CO氣體等各種氣體組成及含高濃度氫之氣體的各種吹入溫度下之還原反應速度，以及掌握因該等氣體的還原反應熱能而改變的爐內溫度對還原反應速度的影響、及因還原反應而改變的氣體組成對還原反應速度的影響，除此之外，還對整個爐內掌握還原反應速度不會降低的程度之熱量。所述研討必須有以實際使用之高爐實施複數次試驗、使用試驗高爐等級之裝置且使用有可在模擬隔熱條件的同時按高爐爐內條件吹入高爐爐內氣體的實驗裝置之實驗、或者利用模擬模型所行之研討。本案發明人等利用模擬模型進行上述研討，結果發現每個吹入溫度皆存在吹入量的適當範圍。 亦即，含高濃度氫之氣體的吹入溫度在600℃以下時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC並非隨著含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量增加而單純增加，該吹入量一旦增加某個程度便會緩和下來並轉而減少。而且，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC緩和下來並轉而減少時，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量會依含高濃度氫之氣體的吹入溫度而不同。另一方面，含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC有隨著吹入量增加而增加的傾向。含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量若增多某種程度，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC譬如就會成為7%以上。因此，藉由在高爐吹入依據該適當範圍之氫氣吹入量決定之含高濃度氫之氣體的吹入量，可大幅削減CO2 排放量。譬如，如後述實施例所示，可將高爐作業時之碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC設為7%以上，進而可大幅削減CO2 排放量。本案發明人根據所述知識見解思及本實施形態之高爐的作業方法。以下，詳細說明本實施形態。
＜2.含高濃度氫之氣體的組成＞ 本實施形態之高爐的作業方法係從風口吹入含高濃度氫之氣體。因此，首先說明含高濃度氫之氣體的組成。如上所述，含高濃度氫之氣體係含有80mol%以上氫氣的氣體。含高濃度氫之氣體包括純氫氣。含高濃度氫之氣體亦可包括氫氣以外之其他氣體，例如上述含碳還原氣體(譬如烴氣)、CO氣體、CO2 氣體、H2 O氣體及N2 氣體等。惟，其他氣體的濃度合計小於20mol%。
其他氣體的濃度合計在20mol%以上之氣體不包括在本實施形態之含高濃度氫之氣體中。其原因在於其他氣體的濃度在20mol%以上時，CO2 氣體之削減量會大幅降低。譬如，其他氣體之中，烴氣、CO2 氣體及H2 O氣體在風口出端分解時會產生吸熱反應，而導致高爐內之還原效率降低。因此，沒有被還原而到達高爐爐下部的鐵系原料便增加。進而，藉由焦碳所行之直接還原反應量變多。由此，為了維持高爐內的溫度，變得需要較多還原材，而會使CO2 氣體之削減量大幅降低。例如，在將含有50mol%氫氣之COG(焦碳爐氣)以600Nm3 /t的吹入量吹入高爐內時，會係將氫氣以300Nm3 /t的吹入量吹入高爐內。相較於將純氫氣以300Nm3 /t的吹入量吹入高爐內時，此時削減CO2 排放量的效果甚為低劣，無法引致根本上削減CO2 排放量(例如碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC≧7%)。又，如後述實施例中所示地在常溫純氫氣之例中，在吹入量為300Nm3 /t左右，削減CO2 排放量的效果達最大。
＜3.高爐的作業方法＞ 接下來，說明本實施形態之高爐的作業方法。在本實施形態之高爐的作業方法中，首先係在常溫以上的範圍內決定含高濃度氫之氣體的吹入溫度。
在此，參照圖1來說明含高濃度氫之氣體的吹入溫度(以下，有時將之簡稱為「吹入溫度」)。圖1係用以說明吹入溫度的圖。含高濃度氫之氣體例如可在具備加熱器5之氣槽3中調節其溫度。亦即，含高濃度氫之氣體可在氣槽3內藉由加熱器5加熱後、或者在常溫時則不加熱而直接送至用於吹入熱風之風口2，該風口2設置於高爐1之爐下部。被送至風口2的含高濃度氫之氣體可從風口2吹入高爐1內。具體而言，被送至風口2的含高濃度氫之氣體係與在熱風爐4中產生的熱風混合(合流)後，從風口2吹入高爐1內。吹入溫度係在從風口2吹入高爐1內時，即將與熱風混合前之含高濃度氫之氣體的溫度。在實際作業(實際之爐)中，例如由於從加熱含高濃度氫之氣體之加熱器5至吹入高爐1內為止，溫度都不會降低，故可將加熱器5之設定溫度設為吹入溫度。雖然會因熱風與含高濃度氫之氣體混合而導致含高濃度氫之氣體的溫度上升，但此時的溫度並非本實施形態之吹入溫度。又，專利文獻1中記載有送風溫度，惟專利文獻1之送風溫度係與本實施形態中之吹入溫度不同者。
如後述實施例所示，在不加熱含高濃度氫之氣體而以常溫直接從風口吹入的情況下，亦可大幅削減CO2 排放量(參照圖2)。圖2係依每個風口前溫度Tf顯示常溫純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。該圖表可透過高爐作業模擬而獲得。詳細內容將於實施例中說明，在此係採用Kouji TAKATANI、Takanobu INADA及Yutaka UJISAWA，「Three-dimensional Dynamic Simulator for Blast　Furnace」，ISIJ International，Vol.39(1999)，No.1，p.15-22等所示之所謂的「高爐數學模型」。該高爐數學模型，概要而言，係藉由將高爐內部區域於高度方向、徑長方向、周方向上分割而規制出複數個網格(小區域)，並模擬各網格之行為者。模擬條件設為與後述實施例相同。如圖2所示，在常溫純氫氣的吹入量達200~500Nm3 /t時，可使碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC成為譬如7%以上。碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC宜為8%以上。又，本實施形態之「常溫」意指不加熱之狀態，具體而言係設為5℃以上且在35℃以下之溫度。
詳細內容將於後說明，在吹入溫度為常溫以上之範圍內，含高濃度氫之氣體的吹入溫度愈高，對於相同吹入量之碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC愈增大(參照圖2~圖10)。圖3係依每個風口前溫度Tf顯示300℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。圖4係顯示350℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。圖5係依每個風口前溫度Tf顯示600℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。圖6係顯示650℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。圖7係依每個風口前溫度Tf顯示900℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。圖8係顯示950℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。圖9係依每個風口前溫度Tf顯示1200℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。圖10係顯示1250℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。
該等圖表可透過上述高爐作業模擬而獲得。詳細內容將於實施例中說明。可知圖3~圖10之碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC較圖2之碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC更高。且可認為含高濃度氫之氣體的吹入溫度愈高，在高爐內產生之爐腹氣體(氮氣、氫氣及CO氣體之混合氣體)之顯熱就愈提高，因而會有更多還原氣體將鐵系原料還原。亦即，還原效率提高。因此，可認為含高濃度氫之氣體的吹入溫度愈高，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC愈增大。從而，從提高碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC的觀點來看，宜提高含高濃度氫之氣體的吹入溫度。具體而言，宜在高於300℃的範圍內決定吹入溫度，較佳係在高於600℃的範圍內決定，在高於900℃的範圍內決定更佳。
惟，為了使含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃，有時會需要大規模改造設備。因此，若難以利用既有設備使含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃，則亦可在常溫~600℃的範圍內決定含高濃度氫之氣體的吹入溫度。另一方面，能利用既有設備(或藉由改造既有設備)使含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃時，亦可在高於600℃的範圍內決定含高濃度氫之氣體的吹入溫度。
接著，決定含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量。在此，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量係每1噸熔銑之從風口吹入高爐內的含高濃度氫之氣體中之氫氣的流量，單位為Nm3 /t。含高濃度氫之氣體為純氫氣時，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量等於含高濃度氫之氣體的吹入量。含高濃度氫之氣體為包含氫氣以外之其他氣體的混合氣體時，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為以單位mol%計之含高濃度氫之氣體的吹入量乘以氫氣比率而得之量。在實際作業中，可從設置在含高濃度氫之氣體的供給源(例如氣槽)的排出口之流量計所示之值、與以單位mol%計之含高濃度氫之氣體中之氫氣比率算出含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量。
本實施形態中，係以含高濃度氫之氣體的吹入溫度進行分類來決定吹入量。具體而言，吹入溫度達常溫~300℃時，係在200~500Nm3 /t的範圍內決定含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量。另一方面，吹入溫度高於300℃且在600℃以下時，係在145Nm3 /t的範圍內決定含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量。含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃且在900℃以下時，係在125Nm3 /t以上的範圍內決定含高濃度氫之氣體的吹入量。含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於900℃且在1200℃以下時，係在110Nm3 /t以上的範圍內決定含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量。含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於1200℃時，係在100Nm3 /t以上的範圍內決定含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量。
以所述方式以吹入溫度進行分類之原因在於依吹入溫度之不同，較佳吹入量稍有不同。又，雖然在以下說明中係以含高濃度氫之氣體為純氫氣之情況為例進行說明，但如後述實施例1-2所示，即使在含高濃度氫之氣體包含氫氣以外之氣體的情況下，含高濃度氫之氣體的吹入溫度與較佳吹入量之相關關係仍不變。
如圖2及圖3所示，含高濃度氫之氣體的吹入溫度達常溫~300℃時，若使含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量從基本作業的0逐漸增加，則碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC增加。而且，在含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量達300Nm3 /t左右時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC達到高峰，若含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量更增加，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC便轉而減少。並且，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為200~500Nm3 /t的範圍內之值時，可使碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC為7%以上。又，含高濃度氫之氣體為純氫氣時，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量會係含高濃度氫之氣體的吹入量，但在含高濃度氫之氣體包含氫氣以外之氣體的情況下，該值會係含高濃度氫之氣體的吹入量乘以氫氣比率(mol%)而得之量。
藉由氫氣還原鐵系原料的反應(亦即氫還原反應)為吸熱反應。因此，可認為含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量大於300Nm3 /t時，在爐內會大量發生所述吸熱反應，導致爐內溫度降低。並且，可認為因如上述之爐內溫度降低，而造成由包含氫氣之還原氣體所帶來的還原效率降低。為了防止所述還原效率降低的情形，必須提高還原材比來進行作業。因此，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量大於300Nm3 /t時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC轉而減少。故，吹入溫度達常溫~300℃時，宜在200~400Nm3 /t的範圍內決定含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量，較佳係在200~300Nm3 /t的範圍內決定。此時，可使碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC為8%以上。
如圖4及圖5所示，在含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於300℃且在600℃以下的情況下，亦為若使含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量從基本作業的0Nm3 /t逐漸增加，則碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC增加。而且，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量若在145Nm3 /t以上，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC會達7%以上。在含高濃度氫之氣體的吹入溫度為600℃的情況下，如圖5所示，在含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為600Nm3 /t左右，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC達飽和。在含高濃度氫之氣體的吹入溫度為350℃的情況下，如圖4所示，在含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量達300Nm3 /t左右時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC達到高峰，若含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量更增加，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC便轉而減少。 又，在含高濃度氫之氣體的吹入溫度為350℃的情況下，若含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量大於600Nm3 /t，有時難以將風口出端溫度Tf維持在2200℃。在以往之高爐作業中，風口前溫度Tf大多設在2200℃左右，若風口前溫度Tf難以維持在2200℃，則作業條件會要與以往之高爐作業的作業條件做大幅變更。
含高濃度氫之氣體的吹入溫度為350℃時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC轉而減少之理由係與上述相同。在含高濃度氫之氣體的吹入溫度為600℃的情況下，在至吹入量為700Nm3 /t為止的範圍中，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC不會轉而減少。然而，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為600Nm3 /t左右時，碳消耗基本單位的削減效果達飽和。吹入溫度高於350℃且在600℃以下時，爐腹氣體之顯熱更大。因此，氫還原反應所致之吸熱的影響變小，故可認為即便吹入較上述情況更多的氫氣，爐內溫度也不易降低。因而可認為即便將大量氫氣吹入高爐內，爐內溫度仍不易降低，進而還原效率變得不易降低。故可認為碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC達飽和。此外，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量達300~600Nm3 /t時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC會在10%以上。
如圖6及圖7所示，在吹入溫度高於600℃且在900℃以下的情況下，亦為若使含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量從基本作業的0Nm3 /t逐漸增加，則碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC增加。並且，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為125Nm3 /t以上的範圍內之值時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC達7%以上。尤其，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為180Nm3 /t以上的範圍內之值時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC達10%以上。此外，隨著含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量增加，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC的上升比率(相對於吹入量的單位上升量之碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC的上升量)雖減少，但碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC並沒有轉而減少。其係與含高濃度氫之氣體的吹入溫度在600℃以下的情況明顯不同之行為。又，圖7係顯示含高濃度氫之氣體(在此為純氫氣)的吹入溫度達900℃時，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表，然在含高濃度氫之氣體的吹入溫度達650℃的情況下亦可觀察到與圖7同樣的傾向。譬如，如圖6所示，含高濃度氫之氣體的吹入溫度達650℃且含高濃度氫之氣體的吹入量達125Nm3 /t以上時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC會在7.0%以上。
如上所述，由氫氣所行之還原反應為吸熱反應，因此含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量一旦增加某個程度，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC便會轉而減少。然而，含高濃度氫之氣體的吹入溫度若高於600℃，在高爐內產生的爐腹氣體之顯熱會變得非常高，故可供應還原反應所需之反應熱。因此，可推測即便含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量上升，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC不會轉而減少，仍會持續增加。所述行為可在含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃時觀測到。由此，從更提高碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之觀點來看，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量之上限值不特別設定。惟，隨著含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量增加，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC的上升比率會減少，因此假設在某程度的吹入量下，碳消耗基本單位的削減效果達到上限。且假設此時的吹入量大概為1000Nm3 /t。因此，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量亦可為1000Nm3 /t以下。
如圖8及圖9所示，在吹入溫度高於900℃且在1200℃以下的情況下，亦為若使含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量從基本作業的0Nm3 /t逐漸增加，則碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC增加。並且，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為110Nm3 /t以上的範圍內之值時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC達7%以上。尤其，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為150Nm3 /t以上的範圍內之值時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC達10%以上。此外，與含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃且在900℃以下的情況同樣地，隨著含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量增加，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC的上升比率雖減少，但碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC並沒有轉而減少。又，圖9係顯示含高濃度氫之氣體(在此為純氫氣)的吹入溫度達1200℃時，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表，然在含高濃度氫之氣體的吹入溫度達950℃的情況下亦可觀察到與圖9同樣的傾向。譬如，如圖8所示，含高濃度氫之氣體的吹入溫度達950℃且含高濃度氫之氣體的吹入量達110Nm3 /t以上時，碳消耗基本單位削減比率Input ΔC會在7.0%以上。
因此，從更提高碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之觀點來看，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量之上限值不特別設定。惟，假設含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量達1000Nm3 /t左右時，碳消耗基本單位的削減效果達到上限，故含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量亦可為1000Nm3 /t以下。
另外，根據高爐作業模擬，在含高濃度氫之氣體的吹入溫度達1200℃且含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量達800Nm3 /t以上時，粉煤吹入量會成為0，藉由減低焦碳比便可進一步削減碳消耗基本單位。一般而言，在高爐作業中，減低焦碳比會招致壓力損失的上升，而使作業不穩定。在此，壓力損失係在風口出端(風口前)之壓力，換言之係在風口出口之爐內壓力與在爐頂之壓力之差，且係指排除從送風機往風口出端之管線壓力損失後之值。在實際作業中，壓力損失可利用設置於爐壁部之壓力計來測定。但如圖14所示，在如本實施形態之高氫濃度條件下之高爐作業中，爐內氣體黏度與氣體密度大幅降低，因而可釋除在減低焦碳比後壓力損失上升的疑慮，在實際作業中係可無問題地穩定作業之程度的壓力損失。又，圖14係顯示風口前溫度達2100℃時，1200℃之純氫氣的吹入量與爐內壓力損失的變化量之相關關係的圖表，且係透過高爐作業模擬而得者。通常作業中之壓力損失大致係以85kPa左右為基準。根據圖14，可知在本實施形態之作業條件下壓力損失小於85kPa。
如圖10所示，在吹入溫度高於1200℃的情況下，亦為若使含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量從基本作業的0Nm3 /t逐漸增加，則碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC增加。並且，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為100Nm3 /t以上的範圍內之值時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC達7%以上。此外，與含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃且在900℃以下的情況同樣地，隨著含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量增加，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC的上升比率雖減少，但碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC並沒有轉而減少。由此，從更提高碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之觀點來看，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量之上限值不特別設定。惟，假設含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量達1000Nm3 /t左右時，碳消耗基本單位的削減效果達到上限，故含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量亦可為1000Nm3 /t以下。
只要係可使含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃之環境，則吹入溫度之上限值無特別限制。惟，如圖15及圖16所示，碳消耗基本單位的削減效果在含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於1200℃且至1400℃左右之範圍中幾乎持平。另，圖15及圖16係顯示純氫氣的吹入溫度與純氫氣的吹入量之相關關係的圖表，前述純氫氣的吹入量係用以使碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC成為10%或20%所需之量。且風口前溫度Tf設為2100℃。該等圖表係將圖2~圖10之相關關係整理成純氫氣的吹入溫度與純氫氣的吹入量之相關關係的圖表，前述純氫氣的吹入量係用以使碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC成為10%或20%所需之量。因此，含高濃度氫之氣體的吹入溫度亦可為1400℃以下。亦即，含高濃度氫之氣體的吹入溫度亦可為例如高於600℃且在1400℃以下。
接著，將含高濃度氫之氣體按所決定出之吹入溫度及吹入量從風口吹入。藉此，可使碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC為譬如7%以上，進而可大幅削減CO2 排放量。又，吹入含高濃度氫之氣體的風口例如係設於爐下部之用於吹入熱風之風口。在本實施形態中，係以將含高濃度氫之氣體從用於吹入熱風之風口吹入為前提來進行說明，但用以吹入含高濃度氫之氣體的風口不限於此。風口之其他例子可舉設於爐頸部之所謂的爐頸風口。含高濃度氫之氣體可從該等風口之任一者吹入高爐內，亦可從兩個風口吹入高爐內。從複數個風口將含高濃度氫之氣體吹入高爐內時，從各風口吹入之含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量的總和係與上述決定出之吹入量一致。
又，藉由在本實施形態之條件下適當設定氫氣的吹入溫度、吹入量及風口前溫度Tf等，可實現適當維持爐頂氣體溫度之作業。因而不需要為了維持爐頂氣體溫度而進行吹入預熱氣體及預熱爐內裝入物，然亦可另外實施該等。
＜4.變形例＞ (4-1.變形例1) 以下，說明高爐的作業方法的各種變形例。在變形例1中，係將風口前溫度Tf維持在2050℃以下。在此，風口前溫度Tf係在風口之爐內側前端部的爐內溫度，亦稱為風口出端溫度Tf。在實際作業中，風口前溫度Tf係依照重見彰利著「製銑手冊」(地人書館)所記載之藍姆公式，作為風口出端理論燃燒溫度而算出。
如圖2、圖3、圖5、圖7及圖9所示，風口前溫度Tf在2050℃以下(圖2、圖3、圖5、圖7及圖9中係2000℃)時之碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC係較風口前溫度Tf高於2050℃時(圖2、圖3、圖5、圖7及圖9中係2100℃、2200℃)之碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC更大。因此，在變形例1中係將風口前溫度Tf維持在2050℃以下。藉此，可更增大碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC。又，如圖7及圖9所示，在含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃的情況下，當含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量達400Nm3 /t以上，該傾向明顯顯現。因此，在將含高濃度氫之氣體的吹入溫度設為高於600℃，並且將含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量設為400Nm3 /t以上的情況下，亦可將風口前溫度Tf設為2050℃以下。
在此，由於含高濃度氫之氣體的吹入溫度較熱風更低，故將含高濃度氫之氣體吹入高爐內會造成風口前溫度Tf降低。為了使風口前溫度Tf達所欲溫度，亦即為了提高風口前溫度Tf，必須提高增氧率來進行作業。在此，吹入高爐的熱風係包含空氣的氣體。熱風中，除了空氣以外，亦可更包含濕分及增量氧。增氧率概要而言係熱風中氧的體積相對於熱風總體積的比率，且表示成：增氧率(%)={(空氣之送風量(流量)[Nm3 /min]×0.21+增氧量[Nm3 /min])/(空氣之送風量[Nm3 /min]+增氧量[Nm3 /min])}×100-21。在實際作業中，係不改變單位Nm3 /t計之增量氧與熱風中的氧之合計流量、亦即氧流量，而藉由改變單位Nm3 /t計之增量氧流量及空氣流量來調整增氧率。其原因在於為了使出鐵比(爐內容積每1m3 之單日出鐵量)盡量固定。因此，若增氧率提高，熱風流量就會減少。結果爐腹氣體量減少。
由此，風口前溫度Tf越高，爐腹氣體量越減少。並且爐腹氣體量若減少，爐腹氣體之顯熱減少。故而，爐內溫度因氫還原反應所致之吸熱而變得容易降低。而，為了防止所述爐內溫度降低的情形，必須進行提高還原材比之作業。故可認為風口前溫度Tf在2050℃以下時之碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC會變得較風口前溫度Tf高於2050℃時之碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC更大。
又，從對熔銑之導熱及粉煤燃燒性的觀點來看，風口前溫度Tf宜為2000℃以上。惟，只要碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC會充分增大且可充分降低粉煤比(每1噸熔銑所使用之粉煤)，則風口前溫度Tf亦可低於2000℃。譬如，即便使風口前溫度Tf低於2000℃，只要可維持碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC且能實現穩定作業，則亦可將風口前溫度Tf設為低於2000℃。此點譬如如上所述，在含高濃度氫之氣體的吹入溫度達1200℃且含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量達800Nm3 /t以上時，粉煤吹入量會成為0(亦即，粉煤比為0)。在此情況下無須考慮粉煤之燃燒，故即便將風口前溫度Tf設為低於2000℃，仍可維持碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC，且可實現穩定作業。因此，可將風口前溫度Tf設為低於2000℃。亦即，若提高含高濃度氫之氣體的吹入溫度且增加吹入量，結果能使粉煤吹入量為0的話，亦可將風口前溫度Tf設為低於2000℃。
(4-2.變形例2) 在變形例2中，係將風口前溫度Tf維持在高於2050℃且在2150℃以下。根據變形例1，藉由將風口前溫度Tf設為2050℃以下，可增大碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC。另一方面，若風口前溫度Tf降低，粉煤之燃燒率可能會降低。亦即，若風口前溫度Tf降低，粉煤便不易燃燒。在粉煤為難燃性時或提高粉煤比來進行作業時，粉煤之燃燒率降低的可能性會更提高。粉煤之燃燒率若降低，爐內溫度便降低，因而會衍生進行僅提高了該份量之還原材比的作業的必要性。從所述觀點來看，在變形例2中係將風口前溫度Tf維持在高於2050℃且在2150℃以下。藉此，可維持粉煤之燃燒率，進而可抑制爐內溫度降低。
(4-3.變形例3) 在變形例3中，係將風口前溫度Tf維持在高於2150℃。在以往之高爐作業中，風口前溫度Tf大多設為2200℃左右。因此，藉由將風口前溫度Tf設為高於2150℃，作業條件可不與以往之高爐作業做大幅變更而進行作業。又，從保護風口設備等觀點來看，風口前溫度Tf宜為2250℃以下。
(4-4.變形例4) 如圖2~圖10所示，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之間具有固定的相關關係。於是，在變形例4中係事先求算吹入量-碳消耗基本單位削減比率相關關係，其為含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係。
例如，透過高爐作業模擬，對於數個點之吹入量分別求算碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC，該高爐作業模擬係包含含高濃度氫之氣體的吹入溫度且反映出現況高爐作業者。具體方法只要係與後述實施例同樣的方法即可。
接著，將橫軸設為以單位Nm3 /t計之含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量，將縱軸設為碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC(%)，在所得之平面上繪製以上述方法求出之值。接著，以例如最小平方法求算該等繪製點之近似曲線，以該近似曲線、更具體而言係以表示近似曲線之關係式作為上述吹入量-碳消耗基本單位削減比率相關關係即可。吹入量-碳消耗基本單位削減比率相關關係宜依每個風口前溫度Tf求算。
接著，根據上述求得之吹入量-碳消耗基本單位削減比率相關關係決定碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC變得較現況作業更大之吹入量、亦即碳消耗量減低之吹入量。接著，將含高濃度氫之氣體按該決定出之吹入量從風口吹入。藉此，可更確實地增大碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC。
在此，吹入量-碳消耗基本單位削減比率相關關係宜依每個含高濃度氫之氣體的吹入溫度事先求算。藉此，在吹入溫度變動時，亦能容易決定所欲之含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量。亦即，在吹入溫度變動時，亦能容易決定碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC增大之含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量。
(4-5.變形例5) 圖12係依每個風口前溫度Tf顯示單位Nm3 /t計之常溫純氫氣的吹入量與相對於基本作業之單位kPa計之壓力損失的變化量之相關關係的圖表，該基本作業係不吹入含高濃度氫之氣體的作業。該圖表可透過高爐作業模擬而獲得。詳細內容將於實施例中說明。在此，壓力損失係在風口出端(風口前)之壓力，換言之係在風口出口之爐內壓力與在爐頂之壓力之差，且係指排除從送風機往風口出端之管線壓力損失後之值。在實際作業中，壓力損失可利用設置於爐壁部之壓力計來測定。相對於基本作業之壓力損失的變化量，係從某作業時的壓力損失減去基本作業時的壓力損失而得之值。壓力損失從送風壓力的限制及防止吹穿等的觀點來看，宜成為與基本作業相同程度或較基本作業更低的值。圖12係顯示使用有常溫純氫氣時之上述相關關係，然在使用有純氫氣以外之含高濃度氫之氣體的情況下亦可獲得上述相關關係。並且，即便含高濃度氫之氣體的吹入溫度較常溫更高，仍可獲得上述相關關係。
從圖12明顯可知含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量與壓力損失的變化量之間具有固定的相關關係。譬如，在增加含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量時，如上所述地風口前溫度Tf會降低。為了使風口前溫度為所欲溫度，必須提高增氧率來進行作業。在實際作業中，係不改變單位Nm3 /t計之增量氧與熱風中的氧之合計流量、亦即氧流量，而藉由改變單位Nm3 /t之增量氧流量及空氣流量，來將出鐵比維持在預定量，同時調整增氧率。因此，若增氧率提高，熱風流量就會減少。結果爐腹氣體量減少。換言之，風口前溫度Tf低時，爐腹氣體量增加。其結果，相較於基本作業，壓力損失可能會變大。惟，若含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量進一步增加，爐內氣體之氣體黏度及氣體密度便降低，壓力損失變小。進而，因氣體黏度及氣體密度降低所致之壓力損失的減少會與因爐腹氣體量增加所致之壓力損失的增加互相抵消，結果壓力損失減少。
在變形例5中，首先與變形例4同樣事先求算吹入量-碳消耗基本單位削減比率相關關係。並且求算吹入量-壓力損失變化量相關關係，其為吹入量與相對於基本作業之壓力損失的變化量之相關關係。
例如，透過高爐作業模擬，對於數個點之吹入量分別求算壓力損失的變化量，該高爐作業模擬係包含含高濃度氫之氣體的吹入溫度且反映出現況高爐作業者。具體方法只要係與後述實施例同樣的方法即可。
接著，將橫軸設為以單位Nm3 /t計之含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量，將以單位kPa計之縱軸設為壓力損失的變化量、即Δ壓力損失，在所得之平面上繪製以上述方法求出之值。接著，以例如最小平方法求算該等繪製點之近似曲線，以該近似曲線(更具體而言係表示近似曲線之關係式)作為上述吹入量-壓力損失變化量相關關係即可。吹入量-壓力損失變化量相關關係宜依每個風口前溫度Tf求算。
接著，根據吹入量-碳消耗基本單位削減比率相關關係及吹入量-壓力損失變化量相關關係決定吹入量，該吹入量可使碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC變得較現況作業更大、亦即可使碳消耗量減低，且使壓力損失的變化量成為預定範圍內之值。在此，預定範圍例如可設為-50~+5kPa左右，但不限於此。接著，將含高濃度氫之氣體按該決定出之吹入量從風口吹入。藉此，可使壓力損失的變化量為預定範圍內之值，同時可更確實地增大碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC。
(4-6.變形例6) 圖13係依每個風口前溫度Tf顯示常溫之單位Nm3 /t計之純氫氣的吹入量與單位℃計之相對於基本作業之爐頂氣體溫度的變化量之相關關係的圖表。該圖表可透過高爐作業模擬而獲得。詳細內容將於實施例中說明。在此，爐頂氣體溫度係從高爐爐頂排放之爐頂氣體(主要為CO2 、N2 ，未反應的CO等)的溫度，在實際作業中係利用設置於上升管等之溫度計來測定。相對於基本作業之爐頂氣體溫度的變化量，係從某作業時之爐頂氣體溫度減去基本作業時之爐頂氣體溫度而得之值。從爐頂設備的限制及使作業變得有效率的觀點來看，爐頂氣體溫度宜與基本作業為相同程度，作為其一例，宜為基本作業之爐頂氣體溫度±20℃左右的範圍內。圖13係顯示使用有常溫純氫氣時之上述相關關係，然在使用有純氫氣以外之含高濃度氫之氣體的情況下亦可獲得上述相關關係。並且，即便含高濃度氫之氣體的吹入溫度較常溫更高，仍可獲得上述相關關係。
從圖13明顯可知含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量與爐頂氣體溫度的變化量之間具有固定的相關關係。譬如，在增加含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量時，如上所述地風口前溫度Tf會降低。為了使風口前溫度Tf為所欲溫度，必須提高增氧率來進行作業。在實際作業中，係不改變單位Nm3 /t計之氧流量，而藉由改變單位Nm3 /t計之空氣流量來調整增氧率。因此，若增氧率提高，熱風流量就會減少。結果爐腹氣體量減少。換言之，風口前溫度Tf若上升，爐腹氣體量便減少。熱流比因而上升，該熱流比係以(在單位時間內降下之爐內裝入物的熱容量)/(在單位時間內上升之爐腹氣體的熱容量)表示。其結果，在爐內上升之爐內氣體的溫度變得容易降低，結果爐頂氣體溫度容易降低。結果，相較於基本作業，爐頂氣體溫度可能會降低。惟，若更逐漸增加含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量，大致以300Nm3 /t為境界，會如上所述地因吸熱反應導致爐內溫度下降，爐內還原效率開始降低。為了防止所述還原效率降低的情形，會提高還原材比來作業，然而若提高還原材比則投入爐內的熱量增加，爐頂氣體溫度呈上升傾向，因而導致爐頂氣體溫度轉為增加。
在變形例6中，首先與變形例4同樣事先求算吹入量-碳消耗基本單位削減比率相關關係。並且求算吹入量-爐頂氣體溫度變化量之相關關係，其為吹入量與相對於基本作業之爐頂氣體溫度的變化量之相關關係。
例如，透過高爐作業模擬，對於數個點之吹入量分別求算爐頂氣體溫度的變化量，該高爐作業模擬係包含含高濃度氫之氣體的吹入溫度且反映出現況高爐作業者。具體方法只要係與後述實施例同樣的方法即可。
接著，將橫軸設為以單位Nm3 /t計之含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量，將縱軸設為以單位℃計之爐頂氣體溫度的變化量、即Δ爐頂氣體溫度，在所得之平面上繪製以上述方法求出之值。接著，以例如最小平方法求算該等繪製點之近似曲線，以該近似曲線、更具體而言係以表示近似曲線之關係式作為上述吹入量-爐頂氣體溫度變化量之相關關係即可。吹入量-爐頂氣體溫度變化量之相關關係宜依每個風口前溫度Tf求算。
接著，根據吹入量-碳消耗基本單位削減比率相關關係及吹入量-爐頂氣體溫度變化量相關關係決定吹入量，該吹入量可使碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC變得較現況作業更大、亦即可使碳消耗量減低，且使爐頂氣體溫度的變化量成為預定範圍內之值。在此，預定範圍例如可設為-20~+20℃左右，但不限於此。接著，將含高濃度氫之氣體按該決定出之吹入量從風口吹入。藉此，可使爐頂氣體溫度的變化量為預定範圍內之值，同時可更確實地增大碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC。
在此，在上述變形例4~6中，與含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量成為一對之參數，不一定限於碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC。亦即，與含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量成為一對之參數，只要係涉及碳消耗量之參數、亦即碳消耗參數，則不論為何皆可。其原因在於只要碳消耗量減少，便能削減CO2 排放量。作為所述碳消耗參數，除了碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之外，還可舉碳消耗基本單位、還原材比及還原材比的削減比率等。還原材比的削減比率係相對於基本作業之還原材比的削減比率，求算方式係與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC的求算方式相同。
此外，變形例5與變形例6亦可組合。藉此，可使壓力損失的變化量及爐頂氣體溫度的變化量為預定範圍內之值，同時可更確實地增大碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC。 [實施例]
接下來，說明本實施形態之實施例。在本實施例中，藉由進行高爐作業模擬，而確認藉由本實施形態之高爐的作業方法，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC會增大，亦即可削減CO2 排放量。
＜1.實施例1：含高濃度氫之氣體的吹入溫度為常溫~600℃時之驗證＞ 如上所述，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係，係以600℃的吹入溫度為境界顯示出不同行為。因此，在實施例1中，係進行含高濃度氫之氣體的吹入溫度在600℃以下時之驗證。
＜1-1.用於模擬之模型及計算條件＞ 高爐操作模擬係使用所謂「高爐數學模型」，其係在Kouji　TAKATANI、Takanobu INADA、Yutaka UJISAWA、「Three-dimensional Dynamic Simulator for Blast Furnace」、ISIJ　International、Vol.39(1999)、No.1、p.15-22等中所示者。該高爐數學模型，概要而言，係藉由將高爐內部區域於高度方向、徑長方向、周方向上分割而規制出複數個網格(小區域)，並模擬各網格之行為。
在高爐數學模型中，含高濃度氫之氣體的吹入量係作為從風口吹入之含高濃度氫之氣體的氣體量來設定。其中，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量，係作為含高濃度氫之氣體的吹入量乘以單位mol%計之氫氣比率而得之量來設定。含高濃度氫之氣體的吹入溫度，係作為從風口吹入含高濃度氫之氣體時的含高濃度氫之氣體的溫度來設定。風口前溫度之Tf，係作為考慮各種氣體之燃燒熱、送風顯熱、流入風口出端(風口前)之焦碳溫度及各種反應熱等後之結果來算出。壓力損失係作為爐內填充層之壓力損失，使用ergun公式算出。爐頂氣體溫度係作為爐內裝入物之最表層(最上側之層)之氣體溫度來算出。
計算條件列示於表1。表1中之焦碳比為每1噸熔銑所使用之焦碳量。另外，於表2列示不吹入含高濃度氫之氣體的基本作業之要項。如表1、2所示，在本實施例中係將風口前溫度Tf設為2000℃、2100℃及2200℃中之任一者。並且，將含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量設為0~600Nm3 /t。而且，調整送風量、增氧率及PC(粉煤)吹入量，以使在所有作業中出鐵比與熔銑溫度固定。
[表1]
Figure 02_image001
[表2]
Figure 02_image003
又，鐵系原料全設為燒結礦。此外，燒結礦之組成設為T-Fe：58.5%、FeO：7.5%、C/S：1.9、Al2 O3 ：1.7%。另外，焦碳方面則假設使用C：87.2%及灰分：12.6%的情況。又，上述「%」皆表示「質量%」。
＜1-2.實施例1-1：含高濃度氫之氣體的吹入溫度為常溫~600℃且含高濃度氫之氣體為純氫氣之案例＞ 在實施例1-1中，係在含高濃度氫之氣體的吹入溫度為600℃以下之條件下，將含高濃度氫之氣體設為純氫氣，計算出純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係。結果顯示於圖2~圖5。
如圖2~圖5所示，可知在吹入溫度為常溫以上且在600℃以下的範圍內，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC並非隨著吹入量的增加而單純增加，吹入量一旦增加某個程度便會飽和並轉而減少。而且，可知碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC達飽和並轉而減少時，吹入量係依吹入溫度之不同而稍有不同。亦即可知每個吹入溫度皆存在吹入量的適當範圍。並且，所述適當範圍在吹入溫度達常溫~300℃時會係200~500Nm3 /t，在吹入溫度高於300℃且在600℃以下時會係145Nm3 /t以上。又，如圖4及圖5所示，可知碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC並非隨著吹入量的增加而單純增加，在吹入溫度為600℃時，吹入量會在600Nm3 /t左右達飽和，在吹入溫度為350℃時，吹入量會在300Nm3 /t左右達高峰，且在吹入量增加的同時轉而減少。並且，在吹入溫度高於300℃且在600℃以下的情況下，在吹入量達145Nm3 /t以上的適當範圍內時，可使碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC為7%以上。再者，如圖2~圖5所示，亦可知對於相同吹入量之碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC會依風口前溫度Tf而不同，在風口前溫度Tf為2000℃時變得最大。可獲得所述現象之理由如上所述。
因此，藉由依據本實施形態之高爐的作業方法將含高濃度氫之氣體吹入高爐內，可增大碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC，進而可大幅削減CO2 排放量。
＜1-3.實施例1-2＞ 在實施例1-2中，確認了即便含高濃度氫之氣體中包含有氫氣以外之氣體，仍可實現與純氫氣時同樣的作業。具體而言，假設含高濃度氫之氣體為以80mol%之氫氣及20mol%之氮氣構成之80mol% H2 -20mol% N2 氣體。然後，將吹入溫度設為25℃、風口前溫度Tf設為2100℃，以與實施例1相同方式進行了高爐作業模擬。結果顯示於圖11。圖11對比純氫氣(100mol% H2 氣體)之計算結果與80mol% H2 -20mol% N2 氣體之計算結果並加以顯示。又，圖11之橫軸係將混合氣體之流量換算成純氫氣者，亦即將80mol% H2 -20mol% N2 氣體的流量乘以80mol%而得之值。從圖11明顯可知關於80mol% H2 -20mol% N2 氣體，換算成純氫氣後的吹入量之適當範圍亦與純氫氣的情況不變，僅效果降低些許。因此，可知即便含高濃度氫之氣體中包含有氫氣以外之氣體，仍可實現與純氫氣時同樣的作業。並且可知雖然效果稍微下降，但仍能增大碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC。
＜1-4.實施例1-3＞ 在實施例1-3中，係使用常溫純氫氣作為含高濃度氫之氣體，對於數個點之吹入量分別求出壓力損失的變化量(相對於基本作業之壓力損失的變化量)。於圖12顯示其結果。從圖12明顯可知純氫氣的吹入量與壓力損失的變化量之間具有固定的相關關係。例如，可知風口前溫度Tf低時，壓力損失相對於基本作業可能會變大。惟，若純氫氣的吹入量增加，壓力損失便減少。更具體而言，在風口前溫度Tf達2000℃且吹入量達100~150Nm3 /t時，壓力損失係較基本作業提升了10~20kPa左右。此為上述預定範圍外之值。惟，若吹入量上升至200Nm3 /t以上，壓力損失會與基本作業之值為相同程度或在其以下。發生此種現象的理由如上所述。因此，可知依每個風口前溫度Tf事先求算吹入量-壓力損失變化量相關關係，並且根據該吹入量-碳消耗參數相關關係及吹入量-壓力損失變化量相關關係決定碳消耗量較現況作業更減低且壓力損失的變化量達預定範圍內之值之含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量，藉此可抑制壓力損失增大，而可一邊進行穩定作業，一邊增大碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC，前述吹入量-壓力損失變化量相關關係為吹入溫度為預定值時，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量與相對於基本作業之壓力損失的變化量之相關關係。 而且，可知在使用常溫純氫氣作為含高濃度氫之氣體，且其吹入量為200Nm3 /t以上且在500Nm3 /t以下之條件下，如圖12所示地可抑制壓力損失增大，而可一邊進行穩定作業，一邊增大碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC。且可知若為常溫以上且在300℃以下之純氫氣，一旦其吹入量上升至200Nm3 /t，則壓力損失會與基本作業之值為相同程度或在其以下。且可知同樣地在以下情況下亦可抑制壓力損失增大，而可一邊進行穩定作業，一邊增大碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC：高於300℃且在600℃以下之純氫的吹入量為145Nm3 /t以上時，高於600℃且在900℃以下之純氫的吹入量為125Nm3 /t以上時，高於900℃且在1200℃以下之純氫的吹入量為110Nm3 /t以上時，以及高於1200℃之純氫的吹入量為100Nm3 /t以上時。
由此，可知藉由依據本實施形態之高爐的作業方法將含高濃度氫之氣體吹入高爐內，可使壓力損失的變化量成為預定範圍內之值，同時增大碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC。
＜1-5.實施例1-4＞ 在實施例1-4中，係使用常溫純氫氣作為含高濃度氫之氣體，對於數個點之吹入量分別求出爐頂氣體溫度的變化量(相對於基本作業之爐頂氣體溫度的變化量)。於圖13顯示其結果。從圖13明顯可知純氫氣的吹入量與爐頂氣體溫度的變化量之間具有固定的相關關係。譬如，若風口前溫度Tf上升，則爐頂氣體溫度會較基本作業更降低。具體而言，在風口前溫度Tf達2100℃且吹入量達250~300Nm3 /t時，爐頂氣體溫度的變化量會係上述預定範圍外之值。惟，只要吹入量減少至200Nm3 /t，則爐頂氣體溫度的變化量會成為預定範圍內之值。發生此種現象的理由如上所述。因而，重視作業的效率性等時，只要考慮純氫氣的吹入量與爐頂氣體溫度的變化量之間的相關關係來調整吹入量即可。由此，可知依每個風口前溫度事先求算吹入量-爐頂氣體溫度變化量相關關係，並且根據吹入量-碳消耗參數相關關係及吹入量-爐頂氣體溫度變化量相關關係決定碳消耗量較現況作業更減低且爐頂氣體溫度的變化量達預定範圍內之值之含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量，藉此可抑制作業的效率性降低的情形。
＜2.實施例2：含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃時之驗證＞ 在實施例2中，係進行含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃時之驗證。
＜2-1.用於模擬之模型及計算條件＞ 高爐作業模擬係使用與實施例1相同的高爐數學模型。計算條件列示於表3。如表3所示，計算條件係與實施例1幾乎相同，但焦碳比設為與實施例1不同之條件。亦即，在實施例2中，焦碳比設為在粉煤吹入量大於0ton/h時係固定在300kg/t，在粉煤吹入量為0ton/h時(亦即粉煤比為0時)設為使其變動。亦即，粉煤吹入量為0ton/h時，係依焦碳比來調整爐溫。
如上述，在提高含高濃度氫之氣體的吹入溫度且增加吹入量的情況下，粉煤吹入量可成為0ton/h。此時，透過減低焦碳比，可進一步削減碳消耗基本單位。又，將含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量設為0~1000Nm3 /t。並且，將含高濃度氫之氣體的吹入溫度設為高於600℃且在1400℃以下。另外，不吹入含高濃度氫之氣體的基本作業之要項設為與實施例1相同。且其他各種條件設為與實施例1相同。譬如，調整送風量、增氧率及PC(粉煤)吹入量，以使在所有作業中出鐵比與熔銑溫度固定。鐵系原料設為實施例1中使用之燒結礦。
[表3]
Figure 02_image005
＜2-2.實施例2-1：含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃且含高濃度氫之氣體為純氫氣之案例＞ 在實施例2-1中，將含高濃度氫之氣體設為純氫氣，計算出純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係。結果顯示於圖6~圖10。
如圖6~10所示，可知若使含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量從基本作業的0Nm3 /t逐漸增加，則碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC增加。並且，隨著含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量增加，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC的上升比率(相對於吹入量的單位上升量之碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC的上升量)雖減少，但碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC並沒有轉而減少。其係與含高濃度氫之氣體的吹入溫度在600℃以下的情況明顯不同之行為。
另，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC達7%以上之範圍係依每個含高濃度氫之氣體的吹入溫度而不同。具體而言，在吹入溫度高於600℃且在900℃以下的情況下，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量達125Nm3 /t以上的範圍內之值時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC達7%以上。又，在吹入溫度高於900℃且在1200℃以下的情況下，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量達110Nm3 /t以上的範圍內之值時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC達7%以上。在吹入溫度高於1200℃的情況下，含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量達100Nm3 /t以上的範圍內之值時，碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC達7%以上。
＜2-3.其他試驗＞ 將純氫氣的吹入溫度設為900℃，進行與實施例1-3、1-4同樣的試驗。其結果，可確認在純氫氣的吹入溫度達900℃時，純氫氣的吹入量與壓力損失的變化量或爐頂氣體溫度的變化量之間亦具有固定的相關關係。
因此，藉由依據本實施形態之高爐的作業方法將含高濃度氫之氣體吹入高爐內，可使爐頂氣體溫度的變化量成為預定範圍內之值，同時增大碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC。
以上，已參照所附圖式詳細說明本發明較佳實施形態，惟本發明不受該等示例限定。且顯而易見地，只要係具有本發明所屬技術領域之通識人士，皆可在申請專利範圍中記載之技術思想範疇內思及各種變更例或修正例，並知悉該等亦理當歸屬本發明之技術範圍。
1:高爐 2:風口 3:氣槽 4:熱風爐 5:加熱器
圖1係用以說明含高濃度氫之氣體的吹入溫度的圖。 圖2係依每個風口前溫度Tf顯示常溫純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。 圖3係依每個風口前溫度Tf顯示300℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。 圖4係顯示350℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。 圖5係依每個風口前溫度Tf顯示600℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。 圖6係顯示650℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。 圖7係依每個風口前溫度Tf顯示900℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。 圖8係顯示950℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。 圖9係依每個風口前溫度Tf顯示1200℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。 圖10係顯示1250℃之純氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC之相關關係的圖表。 圖11係顯示常溫純氫氣的吹入量或常溫之80mol% H2 -20mol% N2 之含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量與碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC的相關關係的圖表。 圖12係依每個風口前溫度Tf顯示常溫純氫氣的吹入量與壓力損失的變化量之相關關係的圖表。 圖13係依每個風口前溫度Tf顯示常溫純氫氣的吹入量與爐頂氣體溫度的變化量之相關關係的圖表。 圖14係顯示風口前溫度Tf為2100℃時，1200℃之純氫氣的吹入量與壓力損失的變化量之相關關係的圖表。 圖15係顯示純氫氣的吹入溫度與純氫氣的吹入量之相關關係的圖表，前述純氫氣的吹入量係用以使碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC成為10%所需之量。 圖16係顯示純氫氣的吹入溫度與純氫氣的吹入量之相關關係的圖表，前述純氫氣的吹入量係用以使碳消耗基本單位的削減比率Input ΔC成為20%所需之量。

Claims (13)

  1. 一種高爐的作業方法，其特徵在於按以下條件將含有80mol%以上氫氣之含高濃度氫之氣體從風口吹入：前述含高濃度氫之氣體的吹入溫度為常溫以上且在300℃以下，且前述含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為200Nm3/t以上且在500Nm3/t以下之條件；前述含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於300℃且在600℃以下，且前述含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為145Nm3/t以上之條件；前述含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃且在900℃以下，且前述含高濃度氫之氣體的吹入量為125Nm3/t以上之條件；前述含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於900℃且在1200℃以下，且前述含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為110Nm3/t以上之條件；或者前述含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於1200℃，且前述含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為100Nm3/t以上之條件。
  2. 如請求項1之高爐的作業方法，其中前述吹入溫度為常溫以上且在300℃以下，且前述含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為200Nm3/t以上且在300Nm3/t以下。
  3. 如請求項1之高爐的作業方法，其中前述含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於300℃且在600℃以下，且前述含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量為145Nm3/t以上且在600Nm3/t以下。
  4. 如請求項1至3中任一項之高爐的作業方法，其將風口前溫度設為2050℃以下。
  5. 如請求項1至3中任一項之高爐的作業方法，其將風口前溫度設為高於2050℃且在2150℃以下。
  6. 如請求項1至3中任一項之高爐的作業方法，其將風口前溫度 設為高於2150℃且在2250℃以下。
  7. 如請求項1之高爐的作業方法，其中前述含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃且在1400℃以下。
  8. 如請求項1或7之高爐的作業方法，其中前述含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃時，前述含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量設為1000Nm3/t以下。
  9. 如請求項1或7之高爐的作業方法，其中前述含高濃度氫之氣體的吹入溫度高於600℃，且前述含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量達400Nm3/t以上時，將風口前溫度設為2050℃以下。
  10. 一種高爐的作業方法，其特徵在於：依每個風口前溫度事先求算吹入量-碳消耗參數相關關係，根據前述吹入量-碳消耗參數相關關係決定碳消耗量較現況作業更減低之前述含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量，並且按該決定出之吹入量將前述含高濃度氫之氣體從前述風口吹入，前述吹入量-碳消耗參數相關關係為含有80mol%以上氫氣之含高濃度氫之氣體的吹入溫度為預定值時，前述含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量與涉及前述碳消耗量之碳消耗參數的相關關係。
  11. 如請求項10之高爐的作業方法，其依每個前述吹入溫度求算前述吹入量-碳消耗參數相關關係。
  12. 如請求項10或11之高爐的作業方法，其依每個風口前溫度事先求算吹入量-壓力損失變化量相關關係，並且根據前述吹入量-碳消耗參數相關關係及前述吹入量-壓力損失變化量相關關係決定前述碳消耗量較現況作業更減低且壓力損失的變化量達預定範圍內之值之前述含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量，前述吹入量-壓力損失變化量相關關係為前述吹入溫度為預定值時，前述含 高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量與相對於基本作業之前述壓力損失的變化量之相關關係。
  13. 如請求項10或11之高爐的作業方法，其依每個風口前溫度事先求算吹入量-爐頂氣體溫度變化量相關關係，並且根據前述吹入量-碳消耗參數相關關係及前述吹入量-爐頂氣體溫度變化量相關關係決定前述碳消耗量較現況作業更減低且爐頂氣體溫度的變化量達預定範圍內之值之前述含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量，前述吹入量-爐頂氣體溫度變化量相關關係為前述吹入溫度為預定值時，前述含高濃度氫之氣體中之氫氣的吹入量與相對於基本作業之前述爐頂氣體溫度的變化量之相關關係。
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