JP5824810B2 - 高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉羽口から微粉炭などの固体燃料と、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）などの易燃性燃料とを吹込んで、燃焼温度を上昇させることにより生産性の向上及び還元材原単位の低減を図る高炉の操業方法に関するものである。

近年、炭酸ガス排出量の増加による地球温暖化が問題となっており、製鉄業においても排出ＣＯ₂の抑制は重要な課題である。これを受け、最近の高炉操業では、低還元材比（低ＲＡＲ：Reduction Agent Ratioの略で、銑鉄１ｔ製造当たりの、羽口からの吹込み還元材と炉頂から装入されるコークスの合計量）操業が強力に推進されている。高炉は、主にコークス及び羽口から吹込む微粉炭を還元材として使用しており、低還元材比、ひいては炭酸ガス排出抑制を達成するためにはコークスなどを廃プラ、ＬＮＧ、重油等の水素含有率の高い還元材で置換する方策が有効である。下記特許文献１では、羽口から燃料を吹込むランスを二重管とし、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込み、二重管ランスの外側管から微粉炭を吹込むことが提案されている。また、下記特許文献２では、同じく羽口から燃料を吹込むランスを二重管とし、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、二重管ランスの外側管からＬＮＧを吹込むことが提案されている。

特許第３１７６６８０号公報 特公平１−２９８４７号公報

前記特許文献１に記載される高炉操業方法も、前記特許文献２に記載される高炉操業方法も、従来の微粉炭だけを羽口から吹込む方法に比べれば、燃焼温度の向上や還元材原単位の低減に効果があるものの、更なる改良の余地がある。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、より一層の燃焼温度の向上及び還元材原単位の低減を可能とする高炉操業方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の高炉操業方法は、羽口から燃料を吹き込むためのランスを三重管とし、当該三重管ランスの最も内側の管の内側を内管ランス、最も内側の管と内側から二番目の管の間を中管ランス、内側から二番面の管と最も外側の管との間を外管ランスとした場合、内管ランス、中管ランス、外管ランスの夫々に、固体燃料、易燃性燃料、支燃性ガスの一種類ずつを単独で且つ全ての種類、吹込むことを特徴とするものである。

また、前記固体燃料及び易燃性燃料の何れかを外管ランスに吹込むことを特徴とするものである。
また、前記易燃性燃料及び支燃性ガスを隣接する管ランスから吹込むことを特徴とするものである。
また、前記易燃性燃料及び支燃性ガスを内管ランス及び中管ランスの何れかから吹込むことを特徴とするものである。

また、前記三重管ランスから吹込まれる全ガス量に対する易燃性燃料又は易燃性燃料及び支燃性ガスの割合が２５ｖｏｌ％以上であることを特徴とするものである。
また、前記三重管ランスの何れかの管ランスから吹込まれる支燃性ガスは酸素であり、送風に富化する酸素の一部を当該三重管ランスの何れかの管ランスから吹込むことを特徴とするものである。
また、前記固体燃料が微粉炭であることを特徴とするものである。
また、前記易燃性燃料がＬＮＧであることを特徴とするものである。

而して、本発明の高炉操業方法によれば、羽口から燃料を吹込むためのランスを三重管とし、その三重管の内管ランス、中管ランス、外管ランスの夫々に、固体燃料、易燃性燃料、支燃性ガスの一種類ずつを単独で且つ全ての種類、吹込むことにより、例えば支燃性ガスと共に易燃性燃料が先に燃焼することで固体燃料が爆発的に拡散し、同時に易燃性燃料の燃焼熱で固体燃料の温度が大幅に上昇し、これにより固体燃料の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上し、もって還元材原単位を低減することができる。

また、固体燃料及び易燃性燃料の何れかを外管ランスに吹込むことにより、固体燃料又は易燃性燃料が高温に晒されやすくなり、燃料の着火性が向上する。
また、易燃性燃料及び支燃性ガスを隣接する管ランスから吹込むことにより、支燃性ガスと易燃性燃料が先に燃焼することで、固体燃料の温度が大幅に上昇し、これにより固体燃料の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上する。

また、易燃性燃料及び支燃性ガスを内管ランス及び中管ランスの何れかから吹込むことにより、支燃性ガスと共に易燃性燃料が先に燃焼することで固体燃料が爆発的に拡散し、同時に易燃性燃料の燃焼熱で固体燃料の温度が大幅に上昇し、これにより固体燃料の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上する。
また、三重管ランスから吹込まれる全ガス量に対する易燃性燃料又は易燃性燃料及び支燃性ガスの割合を２５ｖｏｌ％以上とすることにより、高い燃焼温度を確保することができる。

また、送風に富化する酸素の一部を支燃性ガスとして三重管ランスの何れかの管ランスから吹込むことにより、高炉内のガスバランスを損なうことがなく、酸素の過剰供給を回避することができる。

本発明の高炉操業方法が適用された高炉の一実施形態を示す縦断面図である。 図１のランスから微粉炭だけを吹込んだときの燃焼状態の説明図である。 図２の微粉炭の燃焼メカニズムの説明図である。 微粉炭とＬＮＧを吹込んだときの燃焼メカニズムの説明図である。 燃焼実験装置の説明図である。 燃焼実験結果の説明図である。 燃焼実験結果の燃焼温度の説明図である。 燃焼実験結果の説明図である。 燃焼実験結果の燃焼温度の説明図である。

次に、本発明の高炉操業方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の高炉操業方法が適用された高炉の全体図である。図に示すように、高炉１の羽口３には、熱風を送風するための送風管２が接続され、この送風管２を貫通してランス４が設置されている。羽口３の熱風送風方向先方のコークス堆積層には、レースウエイ５と呼ばれる燃焼空間が存在し、主として、この燃焼空間でコークス燃焼、ガス化が行われる。

図２には、ランス４から微粉炭６だけを吹込んだときの燃焼状態を示す。ランス４から羽口３を通過し、レースウエイ５内に吹込まれた微粉炭６は、コークス７と共に、その揮発分と固定炭素が燃焼し、燃焼しきれずに残った、一般にチャーと呼ばれる炭素と灰分の集合体は、レースウエイから未燃チャー８として排出される。羽口３の熱風送風方向先方における熱風速度は約２００ｍ／ｓｅｃであり、ランス４の先端からレースウエイ５内におけるＯ₂の存在領域は約０．３〜０．５ｍとされているので、実質的に１／１０００秒のレベルで微粉炭粒子の昇温及びＯ₂との接触効率（分散性）の改善が必要となる。

図３は、ランス４から送風管２内に微粉炭（図ではＰＣ：Pulverized Coal）６のみを吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。羽口３からレースウエイ５内に吹込まれた微粉炭６は、レースウエイ５内の火炎からの輻射伝熱によって粒子が加熱し、更に輻射伝熱、伝導伝熱によって粒子が急激に温度上昇し、３００℃以上昇温した時点から熱分解が開始し、揮発分に着火して火炎が形成され、燃焼温度は１４００〜１７００℃に達する。揮発分が放出してしまうと、前述したチャー８となる。チャー８は、主に固定炭素であるので、燃焼反応と共に、炭素溶解反応と呼ばれる反応も生じる。

図４は、ランス４から送風管２内に微粉炭６と共にＬＮＧ９を吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。微粉炭６とＬＮＧ９の吹込み方法は、単純に平行に吹込んだ場合を示している。なお、図中の二点鎖線は、図３に示した微粉炭のみを吹込んだ場合の燃焼温度を参考に示している。このように微粉炭とＬＮＧを同時に吹込む場合、気体ガスであるＬＮＧが優先的に燃焼し、この燃焼熱によって微粉炭が急速に加熱、昇温すると考えられ、これによりランスに近い位置で燃焼温度が更に上昇する。

このような知見に基づき、図５に示す燃焼実験装置を用いて燃焼実験を行った。実験炉１１内にはコークスが充填されており、覗き窓からレースウエイ１５の内部を観察することができる。送風管１２にはランス１４が差し込まれ、燃焼バーナ１３で生じた熱風を実験炉１１内に所定の送風量で送風することができる。また、この送風管１２では、送風の酸素富化量を調整することも可能である。ランス１４は、微粉炭及びＬＮＧの何れか一方又は双方を送風管１２内に吹込むことができる。実験炉１１内で生じた排ガスは、サイクロンと呼ばれる分離装置１６で排ガスとダストに分離され、排ガスは助燃炉などの排ガス処理設備に送給され、ダストは捕集箱１７に捕集される。

最初の燃焼実験には、ランス１４に単管ランスと二重管ランスの二種類を用い、単管ランスを用いて微粉炭のみを吹込んだ場合、二重管ランスを用い、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、二重管ランスの外側管からＬＮＧを吹込んだ場合、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込み、二重管ランスの外側管から微粉炭を吹込んだ場合の夫々について覗き窓から２色温度計による燃焼温度、燃焼位置、未燃チャーの燃焼状況、拡散性を測定した。２色温度計は、周知のように、熱放射（高温物体から低温物体への電磁波の移動）を利用して温度計測を行う放射温度計であり、温度が高くなると波長分布が短波長側にずれていくことに着目して、波長分布の温度の変化を計測することで温度を求める波長分布形の一つであり、中でも波長分布を捉えるため、２つの波長における放射エネルギーを計測し、比率から温度を測定するものである。未燃チャーの燃焼状況は、実験炉１１の送風管１２内のランス１４先から１５０ｍｍ、３００ｍｍの位置にてプローブで未燃チャーを回収して、樹脂埋め、研磨後、画像解析によってチャー内空隙率を測定し、判定した。

微粉炭の諸元は、固定炭素（ＦＣ：Fixed Carbon）７７．８％、揮発分（ＶＭ：Volatile Matter）１３．６％、灰分（Ａｓｈ）８．６％で、吹込み条件は２９．８ｋｇ／ｈ（製銑原単位で１００ｋｇ／ｔ相当）とした（吹込媒体として窒素を使用）。また、ＬＮＧの吹込み条件は、３．６ｋｇ／ｈ（５Ｎｍ³／ｈ、製銑原単位で１０ｋｇ／ｔ相当）とした。送風条件は、送風温度１２００℃、流量３００Ｎｍ³／ｈ、流速７０ｍ／ｓ、Ｏ₂富化＋５．５（酸素濃度２６．５％、空気中酸素濃度２１％に対し、５．５％の富化）とした。実験結果の評価は、単管ランスから微粉炭のみ（媒体としてＮ₂を使用）を吹込んだ場合の燃焼温度、燃焼位置、未燃チャーの燃焼状況、拡散性（主として微粉炭）を基準とし、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管からＬＮＧを吹込んだ場合、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込み、外側管から微粉炭を吹込んだ場合の夫々を評価した。評価は、微粉炭のみの場合と同程度の場合を△、少し改善された場合を○、大幅に改善された場合を◎で表した。

図６には、前述した燃焼実験の結果を示す。同図から明らかなように、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管からＬＮＧを吹込む場合には、燃焼位置については改善が見られたが、その他の項目については変化が見られない。これは、微粉炭の外側のＬＮＧが先にＯ₂と接触して速やかに燃焼し、その燃焼熱で微粉炭の加熱速度が上昇したものの、ＬＮＧの燃焼にＯ₂が消費されてしまい、微粉炭の燃焼に必要なＯ₂が減少して、十分な燃焼温度上昇に至らず、未燃チャーの燃焼状況も改善されなかったと考えられる。一方、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込み、外側管から微粉炭を吹込む場合には、燃焼温度、未燃チャーの燃焼状況について改善が見られ、拡散性については大幅な改善が見られたものの、燃焼位置については変化が見られない。これは、外側の微粉炭領域を通じた内側のＬＮＧまでのＯ₂の拡散に時間を要したものの、内側の易燃性のＬＮＧが燃焼すれば、爆発的な拡散が生じ、ＬＮＧの燃焼熱で微粉炭が加熱されて燃焼温度も上昇し、未燃チャーの燃焼状況も改善されたものと考えられる。

本願発明者は、この実験結果を踏まえて、図７に示すように、前記実験炉１１のランス１４に三重管ランスを用い、三重管ランスの最も内側の管の内側を内管ランス、最も内側の管と内側から二番目の管の間を中管ランス、内側から二番面の管と最も外側の管との間を外管ランスとした場合、内管ランスから微粉炭を吹込み、中管ランスからＬＮＧを吹込み、外管ランスから支燃性ガスとしてＯ₂を吹込み、ＬＮＧ及びＯ₂の吹込み量、即ち酸素過剰率を種々に変更して燃焼温度の変化を調べた。

微粉炭の諸元は、固定炭素ＦＣ：７７．２％、揮発分ＶＭ：１２．２％、灰分Ａｓｈ：１０．６％で、吹込み条件は５０ｋｇ／ｈ（製銑原単位で１４２ｋｇ／ｔ相当）とした（吹込媒体として窒素を使用）。また、ＬＮＧの吹込み条件は、５Ｎｍ³／ｈ、製銑原単位で１０ｋｇ／ｔ相当、又は１０Ｎｍ³／ｈ、製銑原単位で２０ｋｇ／ｔ相当とした。送風条件は、送風温度１２００℃、流量３５０Ｎｍ³／ｈ、Ｏ₂富化＋３．５（酸素濃度２４．５％）とした。なお、支燃性ガスとしてＯ₂を吹込む場合には、送風に富化する酸素の一部を用い、炉内に吹き込まれるＯ₂の総量が変化しないようにした。また、支燃性ガスとしては、大気を用いることもできる。

実験結果の燃焼温度を図７に示す。同図から明らかなように、ＬＮＧ及びＯ₂の吹込み量が多いほど、燃焼温度が高くなっている。これには、ＬＮＧとＯ₂を隣接する管ランスから吹込んだことにより、気体ガスであるＬＮＧが優先的に燃焼し、その燃焼熱で微粉炭の温度が急速に上昇したことも良好に作用していると考えられる。
そこで、三重管の管ランスの夫々に吹込む種類を変更して、特に拡散性、燃焼温度、着火性について、前記図６の実験条件と同じ条件で実験を行った。実験結果の評価を図８に示す。評価の基準は、単管ランスから微粉炭のみを吹込んだ場合とし、前述のように、微粉炭のみの場合と同程度の場合を△、少し改善された場合を○、大幅に改善された場合を◎で表した。

同図から明らかなように、固体燃料である微粉炭又は易燃性燃料であるＬＮＧを外管ランスに吹込むことにより、微粉炭又はＬＮＧが送風の高温に晒されやすくなり、燃料の着火性が向上する。また、易燃性燃料であるＬＮＧ及び支燃性ガスであるＯ₂を隣接する管ランスから吹込むことにより、Ｏ₂とＬＮＧが先に燃焼することで、固体燃料である微粉炭の温度が大幅に上昇し、これにより微粉炭の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上する。また、易燃性燃料であるＬＮＧ及び支燃性ガスであるＯ₂を内管ランス及び中管ランスの何れかから吹込むことにより、Ｏ₂と共にＬＮＧが先に燃焼することで固体燃料である微粉炭が爆発的に拡散し、同時にＬＮＧの燃焼熱で微粉炭の温度が大幅に上昇し、これにより微粉炭の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上する。

次いで、本発明者等は、易燃性燃料であるＬＮＧ又はＬＮＧ及び支燃性ガスであるＯ₂の三重管ランス４から吹込む全ガス量に対する割合を種々に変更して燃焼温度の違いを測定した。これは、例えば、前述のように、ＬＮＧがＯ₂と共に先に燃焼し、その燃焼熱で微粉炭の温度が急速に上昇する効果を確認するためである。そこで、下記表１に示すように、ＣＡＳＥ７〜１１まで、微粉炭のキャリアガスであるＮ₂の流量を１５Ｎｍ³／ｈ一定とし、ＬＮＧ又はＬＮＧ及びＯ₂の流量を種々に変更して、三重管ランスの先端から距離１６５ｍｍの燃焼温度及び距離３１５ｍｍの燃焼温度を測定した。

表中にはＬＮＧ又はＬＮＧ及びＯ₂の流量（Ｏ₂＋ＬＮＧ）及びＬＮＧに対するＯ₂の比率（Ｏ₂／ＬＮＧ）を示す。即ち、ＣＡＳＥ７はＯ₂もＬＮＧも吹込まない。ＣＡＳＥ８はＬＮＧのみ５Ｎｍ³／ｈ吹込む。ＣＡＳＥ９はＬＮＧを５Ｎｍ³／ｈ、Ｏ₂を１０Ｎｍ³／ｈ吹込む。ＣＡＳＥ１０はＬＮＧを５Ｎｍ³／ｈ、Ｏ₂を２０Ｎｍ³／ｈ吹込む。ＣＡＳＥ１１はＬＮＧを１０Ｎｍ³／ｈ、Ｏ₂を２０Ｎｍ³／ｈ吹込む。また、三重管ランスから吹込まれる全ガス量に対するＬＮＧ又はＬＮＧ及びＯ₂の割合は、ＣＡＳＥ７が０ｖｏｌ％、ＣＡＳＥ８が２５ｖｏｌ％、ＣＡＳＥ９が５０ｖｏｌ％、ＣＡＳＥ１０が６２．５ｖｏｌ％、ＣＡＳＥ１１が６６．７ｖｏｌ％である。微粉炭諸元及び送風条件、並びに微粉炭、ＬＮＧ、Ｏ₂の吹込み方は前記図７の場合と同様である。測定結果を図９に示す。

同図から明らかなように、三重管ランスから吹込まれる全ガス量に対するＬＮＧ又はＬＮＧ及びＯ₂の割合が２５ｖｏｌ％未満の領域では、全ガス量に対するＬＮＧ又はＬＮＧ及びＯ₂の割合が増加するのに伴って燃焼温度が大きく増加していることから、この領域では高い燃焼温度を確保することが困難である。一方、三重管ランスから吹込まれる全ガス量に対するＬＮＧ又はＬＮＧ及びＯ₂の割合が２５ｖｏｌ％以上の領域では、全ガス量に対するＬＮＧ又はＬＮＧ及びＯ₂の割合が増加しても燃焼温度が飽和する傾向にあることから、この領域では高い燃焼温度を確保することができる。従って、本実施形態の高炉操業方法では、三重管ランスから吹込まれる全ガス量に対するＬＮＧ又はＬＮＧ及びＯ₂の割合を２５ｖｏｌ％以上、好ましくは５０ｖｏｌ％以上とした。

このように、本実施形態の高炉操業方法では、羽口３から燃料を吹込むためのランス４を三重管とし、その三重管の内管ランス、中管ランス、外管ランスの夫々に、微粉炭（固体燃料）６、ＬＮＧ（易燃性燃料）９、Ｏ₂（支燃性ガス）の一種類ずつを単独で且つ全ての種類、吹込むことにより、例えばＯ₂（支燃性ガス）と共にＬＮＧ（易燃性燃料）９が先に燃焼することで微粉炭（固体燃料）６が爆発的に拡散し、同時にＬＮＧ（易燃性燃料）９の燃焼熱で微粉炭（固体燃料）６の温度が大幅に上昇し、これにより微粉炭（固体燃料）６の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上し、もって還元材原単位を低減することができる。

また、微粉炭（固体燃料）６及びＬＮＧ（易燃性燃料）９の何れかを外管ランスに吹込むことにより、微粉炭（固体燃料）６又はＬＮＧ（易燃性燃料）９が高温に晒されやすくなり、燃料の着火性が向上する。
また、ＬＮＧ（易燃性燃料）９及びＯ₂（支燃性ガス）を隣接する管ランスから吹込むことにより、Ｏ₂（支燃性ガス）とＬＮＧ（易燃性燃料）９が先に燃焼することで、微粉炭（固体燃料）６の温度が大幅に上昇し、これにより微粉炭（固体燃料）６の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上する。

また、ＬＮＧ（易燃性燃料）９及びＯ₂（支燃性ガス）を内管ランス及び中管ランスの何れかから吹込むことにより、Ｏ₂（支燃性ガス）と共にＬＮＧ（易燃性燃料）９が先に燃焼することで微粉炭（固体燃料）６が爆発的に拡散し、同時にＬＮＧ（易燃性燃料）９の燃焼熱で微粉炭（固体燃料）６の温度が大幅に上昇し、これにより微粉炭（固体燃料）６の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上する。

また、三重管ランス４から吹込まれる全ガス量に対するＬＮＧ（易燃性燃料）９又はＬＮＧ（易燃性燃料）９及びＯ₂（支燃性ガス）の割合を２５ｖｏｌ％以上とすることにより、高い燃焼温度を確保することができる。
また、送風に富化する酸素の一部を支燃性ガスとして三重管ランス４の何れかの管ランスから吹込むことにより、高炉内のガスバランスを損なうことがなく、酸素の過剰供給を回避することができる。

１は高炉、２は送風管、３は羽口、４はランス、５はレースウエイ、６は微粉炭（固体燃料）、７はコークス、８はチャー、９はＬＮＧ（易燃性燃料）

Claims (7)

1. 羽口から燃料を吹き込むためのランスを三重管とし、当該三重管ランスの最も内側の管の内側を内管ランス、最も内側の管と内側から二番目の管の間を中管ランス、内側から二番面の管と最も外側の管との間を外管ランスとした場合、内管ランス、中管ランス、外管ランスの夫々に、固体燃料、易燃性燃料、支燃性ガスの一種類ずつを単独で且つ全ての種類、吹込み、前記三重管ランスから吹込まれる全ガス量に対する易燃性燃料及び支燃性ガスの割合が５０ｖｏｌ％以上であることを特徴とする高炉操業方法。
2. 前記固体燃料及び易燃性燃料の何れかを外管ランスに吹込むことを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
3. 前記易燃性燃料及び支燃性ガスを隣接する管ランスから吹込むことを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉操業方法。
4. 前記易燃性燃料及び支燃性ガスを内管ランス及び中管ランスの何れかから吹込むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の高炉操業方法。
5. 前記三重管ランスの何れかの管ランスから吹込まれる支燃性ガスは酸素であり、送風に富化する酸素の一部を当該三重管ランスの何れかの管ランスから吹込むことを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
6. 前記固体燃料が微粉炭であることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
7. 前記易燃性燃料がＬＮＧであることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。

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