JP5708029B2

JP5708029B2 - 高炉操業方法

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Publication number: JP5708029B2
Application number: JP2011039208A
Authority: JP
Inventors: 明紀村尾; 直幸竹内; 稔淺沼; 泰平野内
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: JP2012177141A

Description

本発明は、ＣＯ₂排出量の多い高炉プロセスでのＣＯ₂排出量低減を目的として、Ｈ含有量の多いＬＮＧ（液化天然ガス）、ＣＯＧ（コークス炉ガス）などを大量に吹き込んだ際に安定操業を継続するための高炉操業方法に関する。

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）操業が強力に推進されている。尚、ＲＡＲはReduction Agent Ratioの略であり、銑鉄１ｔ製造当たりの、吹き込み燃料と炉頂から装入されるコークスの合計量である。

高炉は主にコークスおよび微粉炭を還元材として使用しており、炭酸ガス排出抑制を達成するためには低還元材比操業を行なうこと、ひいてはコークス等を廃プラ、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。水素含有率の高い還元材を高炉で用いる技術として、高炉にＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）を羽口より吹き込み、製銑工程で排出される炭酸ガスを低減させる低炭酸ガス排出製鉄法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、別の方法としては、鉄源として、鉄鉱石ではなく、既に還元された鉄スクラップを高炉原料として使用する方法もあるが、高炉操業では、装入する鉄スクラップの大きさ（サイズ）や、亜鉛、銅等の不純物濃度の制約があり、適切な前処理を必要とするという問題がある。

さらには、石炭と鉄鉱石とを混合して成型した成型物を乾留して製造されるフェロコークスを高炉装入原料として用いる方法もある。フェロコークスは、高反応性のため鉄原料の還元を促進するとともに、一部還元された鉄鉱石が含まれているので高炉の熱保存帯温度を下げることができ、還元材比を低下させることができる（例えば特許文献２参照。）。

しかしながら、ＲＡＲが低下すると、原理的に送風量が低下し、この結果、高炉のシャフト上部においては装入物の昇温が遅れ、順調な還元が達成されなくなるばかりか、亜鉛化合物などの炉壁への付着が助長され風圧変動や荷下がり異常などの炉況不調を招くことが懸念されている。また炉頂温度が低下して１００℃以下となるような場合には、排ガス中の水分が配管内に凝縮する問題が生じる。

これに対して、フェロコークスを用いて還元材比を低下させる場合の炉頂温度制御方法としては、高炉装入原料を加熱した後に炉頂から装入する方法（例えば特許文献３参照。）や、羽口からの送風の酸素富化率、羽口からの還元材吹き込み量、羽口からの送風の窒素富化率の中から選ばれる１種、または２種以上を制御する方法（例えば特許文献４参照。）が提案されている。

特開平３−２４０９０６号公報特開２００６−２８５９４号公報特開２００８−１１１１４５号公報特開２００８−１１１１７２号公報

通常の高炉操業では、炉頂温度の低下による問題の発生を防止するため、炉頂温度を１００℃以上、好ましくは１２０℃以上に保持した操業を行なっている。しかし上記のように、低還元材比操業を指向する場合は、炉頂ガス温度が大きく低下し、通常の操業範囲内での操業条件の変更で各種炉況不調、特に炉上部の昇温不良を回避することは困難である。水素含有率の高い還元材（Ｈ系還元材）を多量に高炉に吹き込むことで、低還元材比操業を指向する場合にも同様の問題が発生する。

特許文献１の記載によれば、羽口からの投入水素量が増え、酸化鉄の還元のうち、水素還元の比率が大きくなっていくとシャフト部の温度が低下し、鉄鉱石、焼結鉱等装入物の低温領域での滞留時間が拡大する可能性があることが示唆されている。シャフト部の低温領域の拡大は焼結鉱の還元粉化領域の拡大を意味し、還元による鉄鉱石等の粉化により、通気性および装入物降下挙動を悪化させる。

一方で、特許文献３に記載の方法を用いて炉頂温度制御を行なうことも考えられる。特許文献３は高炉の炉頂部に設置された原料装入用のバンカー内で高炉装入原料を加熱する方法であるが、例えば１日１００００ｔの溶銑を製造する高炉において、約１５０００ｔの鉄鉱石、約３２００ｔのコークスを１００〜２００℃に予熱するためには膨大な熱量を必要とし、コスト高である。

また、特許文献４に記載の方法は、羽口からの送風の酸素富化率、羽口からの還元材吹き込み量、羽口からの送風の窒素富化率の中から選ばれる１種、または２種以上を制御することで炉頂温度を制御する方法であり、優れた技術である。しかし、この方法では各高炉の操業毎の最適条件を事前に詳細に調査する必要があること、また送風への酸素富化、窒素富化、吹き込み還元材の吹き込み量には高炉毎の設備能力上、調整幅に限界があることも考えられ、送風機、酸素分離器、吹き込み還元材の乾燥、粉砕、搬送設備等の多岐にわたる大規模な設備投資が必要となる可能性がある。

したがって本発明の目的は、上述のような従来技術の課題を解決し、水素含有率の高い還元材を多量に高炉に吹き込むことで低ＲＡＲ操業（炭酸ガス排出量削減）を行なう場合であっても、特に炉上部の昇温不良を回避することのできる高炉の操業方法を、低コストで提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）水素含有率の高い還元材を羽口から吹き込む高炉の低還元材比操業方法において、
高炉のシャフト部から予熱ガスの吹き込みを行なう際に、
前記予熱ガスの吹き込み温度、前記予熱ガスの吹き込み量、前記予熱ガスの吹き込み高さ位置の中から選ばれる１種または２種以上を制御することで、炉頂ガス温度を調整することを特徴とする高炉操業方法。
（２）ボッシュガス中のＨ₂濃度が１０体積％以上となった場合に（１）に記載の高炉操業方法を用いて炉頂ガス温度を調整することを特徴とする高炉操業方法。
（３）予熱ガスとして酸素を含まないガスを用いることを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉操業方法。
（４）予熱ガスとして、高炉の炉頂ガスの一部を循環させて用いることを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉操業方法。
（５）予熱ガスとして、高炉の炉頂ガス、コークス炉発生ガスとの混合ガスを用いることを特徴とする（１）、（２）、または（４）に記載の高炉操業方法。
（６）予熱ガスを脱炭酸後に吹き込むことを特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載の高炉操業方法。

本発明によれば、ＬＮＧ、ＣＯＧなどの水素含有率の高い還元材の大量吹き込み時でも、炉上部の昇温不良を回避して、低還元材比操業を安定的に継続して行なうことができる。

高炉における予熱ガス吹き込み位置を示す、高炉断面の概略図である。

本発明者らは、ＬＮＧ、ＣＯＧなどの水素含有率の高い還元材を羽口から吹き込み、低還元材比操業、特に羽口からの送風酸素富化の比率が１５体積％以下であり、微粉炭吹き込み比を１００ｋｇ／ｔ以下とした低微粉炭比高炉操業を行なう際に、炉上部の昇温不良を回避して、安定操業を行なうために、高炉のシャフト部から予熱ガスの吹き込みを行なうこととした。その際に炉頂ガス温度をモニターし、予熱ガス吹き込み温度、予熱ガス吹き込み量、予熱ガス吹き込み高さ位置の中から選ばれる１種または２種以上を制御することで、炉頂ガス温度を調整して、炉頂ガス温度の低下を抑制することを可能とした。

水素含有率の高い還元材としては、Ｈ含有率が１０質量％以上の気体還元材であるＬＮＧ、ＣＯＧ、天然ガス等の他に、Ｈ含有率が１０質量％以上の固体還元材であるプラスチック等を用いることができる。

羽口からの送風の酸素富化率は１５体積％以下とする。酸素富化率が高いと、高炉操業コストの大幅な上昇があるためである。

水素含有率の高い還元材を羽口から吹き込むことで、微粉炭吹き込み比を１００ｋｇ／ｔ以下とする低微粉炭比の高炉操業が可能となる。本発明ではこのような低還元材比操業を行なう高炉操業を対象としている。

予熱ガス吹き込み温度は、炉頂ガス温度の低下の程度に応じて上昇させる。このためには、バーナー等を用いて予熱ガスの温度を任意に調整可能とすることが好ましい。予熱ガス吹き込み温度は６００〜８００℃程度の範囲で調整することが好ましい。

予熱ガス吹き込み量は、炉頂ガス温度の低下の程度に応じて増加させる。このためには、バーナー等を用いて予熱ガスの吹き込み量を任意に調整可能とすることが好ましい。予熱ガス吹き込み量は、炉頂ガス温度を結露がでない温度領域まで上昇できる範囲で調整することが好ましい。

予熱ガス吹き込み高さ位置は、炉頂ガス温度の低下の程度に応じてシャフト部の下部から吹き込むように調整する。このためには、バーナー等を用いて予熱ガスの吹き込み位置を任意に調整可能とすることが好ましい。予熱ガス吹き込み高さ位置はシャフト部での無次元高さ位置（ｈ／ｈ0）で０．８〜０．３の範囲で調整することが好ましい。予熱領域を拡大するためには、０．６以下が良い。無次元高さ位置（ｈ／ｈ0）は、図１に示すように高炉シャフト部の全長をｈ0、シャフト部の下部からの予熱ガス吹き込み高さをｈとした場合のｈ0に対するｈの比である。

予熱ガス吹き込み温度、予熱ガス吹き込み量、予熱ガス吹き込み高さ位置は、それぞれ単独で調整しても炉頂ガス温度を変化させることができるが、温度の微調整を行なうためには２種以上を組み合わせて制御することが好ましく、３種を組み合わせて制御することが特に好ましい。

尚、シャフト部から吹き込む予熱ガスは、吹き込む位置の炉内温度以上の温度を有することが好ましい。したがって、予熱ガスの温度を、吹き込む位置の炉内温度以上の温度とするか、予熱ガス吹き込み高さ位置を、少なくとも予熱ガスの温度が炉内温度以上となる位置とする制御を行なう。予熱ガスの温度が炉内温度未満となるように予熱ガス吹込みを行なうことは、炉内を逆に冷やしてしまう恐れがあり、エネルギーの無駄となるので好ましくない。

シャフト部からの予熱ガスの吹き込みは、ボッシュガスの組成の中で、Ｈ₂濃度が１０体積％以上となった場合に行なうことが好ましい。Ｈ₂濃度が高い場合は炉上部の温度低下が顕著となり、本発明を実施する効果が高い。

シャフト部から吹き込む予熱ガスとして酸素を含まないガスを用いることが好ましい。酸素を含むガスを用いると、炉内で鉱石が再酸化する可能性があるためである。

シャフト部から吹き込む予熱ガスとして、高炉の炉頂ガスの一部を循環させて用いることが好ましい。高炉の炉頂ガスの一部を用いる場合については、高炉の炉頂ガスは製鉄所内でエネルギー源として有効に使用されているため、本発明を用いて高炉の炉頂温度の必要回復量に応じて、予熱ガス吹き込み量、予熱ガス吹き込み位置、予熱ガス吹き込み温度の操作因子を調整することにより、より少ない高炉の炉頂ガス循環量で、最大限の効果を得ることが可能となり、製鉄所内での省エネルギーにも貢献できる。

シャフト部から吹き込む予熱ガスとして、高炉の炉頂ガス、コークス炉発生ガスとの混合ガスを用いることが好ましい。バーナーで燃焼させる場合、コークス炉発生ガスの方がカロリーが高く好ましい。

シャフト部から吹き込む予熱ガスを、脱炭酸後に吹き込むことが好ましい。脱炭酸を行なうことで、炉内の吸熱反応を抑制でき、炉熱低下を防止できる効果がある。脱炭酸は化学吸収、物質吸着等で行なうことができる。

図１を用いて、本発明の一実施形態を説明する。高炉１の羽口３からは熱風、補助還元材（微粉炭及び水素含有率の高い還元材）、酸素を吹込み、高炉１上部からは鉄鉱石およびコークスが装入される。高炉１の上部より排出される炉頂ガスの温度を測定し、その温度に応じて、熱風炉で発生した熱風を、昇圧機等を用いて加圧して予熱ガス吹き込み管２から炉内に吹き込む。この際に、予熱ガス吹き込み温度、予熱ガス吹き込み量、予熱ガス吹き込み高さ位置のいずれか、若しくはこれらの中から選ばれた２種、又は３種を組み合わせて制御することで、炉頂ガスの温度を調整する。または、炉頂ガスの一部を高炉１に吹込み可能な圧力まで昇圧機等で昇圧し、予熱ガス吹き込み管２から炉内に吹き込むことや、炉頂ガスの一部にＣＯＧを混合して予熱ガス吹き込み管２から炉内に吹き込むこともできる。

炉内容積５０００ｍ³の高炉において、高Ｈ含有系還元材を吹き込まない通常の操業であるコークス比３９０ｋｇ／ｔ、微粉炭比１００ｋｇ／ｔの操業条件をベースとして、高Ｈ含有系還元材としてＬＮＧ（Ｈ含有率１０質量％）を用い、これを羽口から吹き込む操業試験を行った。予熱ガスを用いる際には、吹き込み量、吹き込み温度、吹き込み高さ位置を変化させて図１に示す予熱ガス吹き込み管２から吹き込みを行なった。

表１に各操業試験（Ｎｏ．０〜１０）の操業条件と、高炉操業結果（炉頂温度）を示す。

ベース条件をＮｏ．０とし、Ｎｏ．１は送風条件、微粉炭吹き込み量をベース条件と同じとして、ＬＮＧを３０ｋｇ／ｔ吹き込んだ場合である。ベース条件では１２５．４℃であった炉頂温度が９７．３℃に低下し、ダスト排出量が低下したことで、通気変動が発生し、高炉の安定操業が阻害された。

これに対し、炉頂ガス温度の回復を目的とし、ＬＮＧ吹き込みと同時にシャフト部から予熱ガス吹込みを行った。Ｎｏ．２〜４は予熱ガス吹き込み温度をそれぞれ２００、６００、１０００℃とした操業を行った。尚、吹き込み高さ位置は、図１に示すように高炉シャフト部の全長をｈ0（ｍ）とし、予熱ガス吹き込み高さｈ（ｍ）をｈ0に対する割合として無次元高さで表し、Ｎｏ．２〜４では予熱ガス吹き込みを無次元シャフト高さ位置０．８において行なった。

Ｎｏ．５〜７では、予熱ガス吹き込み温度を６００℃、予熱ガス吹き込み高さ位置を無次元高さ位置０．６とし、予熱ガス吹き込み量をそれぞれ３２．５、６５、９７．５Ｎｍ³／ｔとした操業を行った。

Ｎｏ．８〜１０では、予熱ガス吹き込み温度を１０００℃、予熱ガス吹き込み量を９７．５Ｎｍ³／ｔとし、予熱ガスの吹き込み高さ位置をそれぞれ無次元高さ位置０．４、０．６、０．８とした操業を行った。

Ｎｏ．１に対して、Ｎｏ．２〜１０のどのケースにおいても炉頂温度の回復が確認され、低還元材比操業においても安定した炉況を継続することができた。また予熱ガスの吹き込み量、吹き込み温度、吹き込み高さ位置、の操作因子の違いにより、炉頂温度の回復量も変化するため、これらを適宜組み合わせて、必要最低限の温度回復量を目指して調整することが可能であることが分かる。

１高炉
２予熱ガス吹き込み管
３羽口

Claims

水素含有率の高い還元材を羽口から吹き込む高炉の低還元材比操業方法において、
高炉のシャフト部から予熱ガスの吹き込みを行なう際に、
前記シャフト部の無次元高さ（ｈ／ｈ０）で０．８〜０．３の範囲で前記予熱ガスの吹き込み高さ位置を制御することで、炉頂ガス温度を１００℃以上となるように調整することを特徴とする高炉操業方法。
更に、前記予熱ガスの吹き込み温度及び前記予熱ガスの吹き込み量から選ばれる１種または２種を制御することで、前記炉頂ガス温度を調整することを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
ボッシュガス中のＨ₂濃度が１０体積％以上となった場合に請求項１または請求項２に記載の高炉操業方法を用いて炉頂ガス温度を調整することを特徴とする高炉操業方法。
予熱ガスとして酸素を含まないガスを用いることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の高炉操業方法。
予熱ガスとして、高炉の炉頂ガスの一部を循環させて用いることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の高炉操業方法。
予熱ガスとして、高炉の炉頂ガス、コークス炉発生ガスとの混合ガスを用いることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、または請求項５に記載の高炉操業方法。
予熱ガスを脱炭酸後に吹き込むことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の高炉操業方法。