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JP7028364B2 - 高炉の操業方法および高炉附帯設備 - Google Patents

高炉の操業方法および高炉附帯設備 Download PDF

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Description

本発明は、高炉の操業方法および高炉附帯設備に関する。
近年、地球環境問題を背景として、二酸化炭素（ＣＯ2）の排出量削減が強く求められている。そのため、製鉄所内に設けられた高炉の操業においても、低還元材比（低ＲＡＲ）操業を行うことが求められている。
一般的な高炉では、羽口から送風ガスとして熱風（１２００℃程度に加熱した空気）を高炉内に吹込む。これにより、熱風中の酸素と、還元材となるコークスや微粉炭とが反応し、一酸化炭素（ＣＯ）ガスや水素（Ｈ2）ガスが生成する。これらの一酸化炭素ガスや水素ガスによって、高炉内に装入した鉄鉱石が還元される。また、この鉄鉱石の還元反応において、二酸化炭素が発生する。
なお、送風ガスは、羽口から高炉内に吹き込まれるガスである。送風ガスは、高炉内において微粉炭やコークスをガス化する役割も果たすものである。
このような高炉の操業における二酸化炭素の排出量削減技術として、高炉等から排出される副生ガスに含まれる一酸化炭素や二酸化炭素を改質して、メタンやエタノールなどの炭化水素を生成し、生成した炭化水素を、再度、高炉に還元材として導入する技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、
「ＣＯ2及び／又はＣＯを含む混合ガスからＣＯ2及び／又はＣＯを分離回収する工程（Ａ）と、該工程（Ａ）で分離回収されたＣＯ2及び／又はＣＯに水素を添加し、ＣＯ2及び／又はＣＯをＣＨ4に変換する工程（Ｂ）と、該工程（Ｂ）を経たガスからＨ2Ｏを分離除去する工程（Ｃ）と、該工程（Ｃ）を経たガスを高炉内に吹き込む工程（Ｄ）を有することを特徴とする高炉の操業方法。」
が開示されている。
また、特許文献２には、
「高炉ガスを燃料の一部または全部として使用する燃焼炉の排ガスからＣＯ2を分離し、分離したＣＯ2をメタンに改質して得られた還元ガスを高炉に吹込むことを特徴とする高炉操業方法。」
が開示されている。
特開2011-225969号公報 特開2014-005510号公報
しかし、特許文献１および２の技術では、還元材として高炉に吹込むメタンの量が一定以上になると、高炉下部の着熱不足や圧損上昇、出滓不良などの操業トラブルを引き起こす場合がある。
そのため、安定した操業の下、高炉からの二酸化炭素の排出量の一層の削減が可能な高炉の操業方法の開発が求められている。
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたものであって、安定した操業の下、高炉からの二酸化炭素の排出量の一層の削減が可能な高炉の操業方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記の高炉の操業方法に用いる高炉附帯設備を提供することを目的とする。
さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた。
まず、発明者らは、特許文献１および２の技術において、還元材として高炉に吹込むメタンの量を一定以上とした場合に、操業トラブルが発生する原因について検討した。
その結果、以下の知見を得た。
還元材として高炉に吹込むメタンの量を一定以上にすると、羽口の出口近傍に生じる燃焼領域（レースウェイ）において吹込み還元材およびコークスが燃焼して生じる火炎の温度（以下、羽口先温度ともいう）が大幅に低下する。そして、この羽口先温度の低下が、高炉下部の着熱不足や圧損上昇、出滓不良などの操業トラブルの発生原因となる。
すなわち、羽口から高炉内に還元材として微粉炭を吹込む場合、微粉炭の主成分は炭素であるため、レースウェイでは以下のような反応が起こる。
Ｃ＋０．５Ｏ2＝ＣＯ＋１１０．５ｋＪ／ｍｏｌ
一方、羽口から高炉内に還元材としてメタンを吹込む場合、レースウェイでは以下のような反応が起こる。
ＣＨ4＋０．５Ｏ2＝ＣＯ＋２Ｈ2＋３５．７ｋＪ／ｍｏｌ
当該反応時に発生する熱量を、ＣＯおよびＨ2の合計量の１モルあたりに換算すると、１１．９ｋＪ／ｍｏｌとなる。
高炉の安定操業のためには、羽口先温度を２０００℃～２４００℃の範囲に制御する必要がある。しかし、高炉内に吹込む還元材の多くを微粉炭からメタンガスに置換すると、上記の反応熱の差により、羽口先温度が低下する。その結果、羽口先温度を上記範囲内に制御することができなくなって、種々の操業トラブルが発生する。
そこで、発明者らは、上記の知見を基に、さらに検討を重ねた。
その結果、送風ガスとして、熱風（１２００℃程度に加熱した空気）ではなく、酸素ガスを使用することにより、高炉内に吹込む還元材に多量のメタンを用いても、羽口先温度の低下を有効に防止されることを知見した。そして、メタンを高炉から排出される副生ガス（以下、高炉ガスともいう）から再生し、この再生したメタン（再生メタンガス）を還元材として高炉内に再度吹込むことによって、高炉からの二酸化炭素の排出量を一層削減しつつ、安定した高炉の操業が可能になるとの知見を得た。
また、送風ガスとして、特に酸素濃度の高い酸素ガスを使用することにより、高炉ガスに含まれる窒素の量が大幅に低減される。その結果、当該高炉ガスから一酸化炭素や二酸化炭素を分離する工程が不要となり、設備のコンパクト化の点でも極めて有利になるとの知見を得た。
なお、発明者らは、送風ガスとして、酸素ガスを使用することにより、高炉内に吹込む還元材に多量のメタンを用いても、羽口先温度を２０００℃～２４００℃の範囲に制御することが可能である理由について、次のように考えている。
すなわち、送風ガスとして、熱風（１２００℃程度に加熱した空気）を使用する場合、燃焼ガス中に燃焼反応に寄与しない５０体積％程度の窒素が含まれるため、レースウェイにおける火炎の温度は高温となり難い。そのため、高炉内に吹込む還元材の多くを微粉炭からメタンガスに置換すると、上記した微粉炭－酸素の反応における反応熱と、メタンガス－酸素の反応における反応熱との差によって、羽口先温度が低下し、ひいては、羽口先温度が適正温度の下限である２０００℃を下回ってしまう。
一方、送風ガスとして、酸素ガスを使用することにより、燃焼反応に寄与しない窒素ガスの混入を抑制できるので、羽口先温度を十分な温度まで昇温することが可能となる。すなわち、レースウェイにおける火炎の温度を、熱風を使用する場合と比べて高温とすることができるため、羽口から還元材として多量のメタンを吹込む場合にも、羽口先温度を適正範囲である２０００℃～２４００℃の範囲に制御することが可能となる。
また、高炉ガスからメタンを再生するには、高炉ガスに含まれる一酸化炭素や二酸化炭素と水素とを反応させる必要がある。
しかし、日本において主流である５，０００ｍ3級の大型高炉から発生する高炉ガスの全量を、メタンとして再生するには、６０，０００ｍ3／ｈ程度の水素が必要である。しかし、このような大量の水素を、製鉄所外部から調達することは極めて困難である。
この点についても、発明者らは検討を重ね、製鉄所内に水の電気分解装置を設置し、当該水の電気分解装置において、水の電気分解により水素を発生させることが極めて有利であることを知見した。
すなわち、水の電気分解により水素を発生させることにより、水の電気分解で使用する水に、再生メタンガスを生成する工程において副次的に生成する水（以下、副生水ともいう）を使用することが可能となる。また、水の電気分解において副次的に生成する酸素ガス（以下、副生酸素ガスともいう）を、送風ガスとして用いる酸素ガスに使用することが可能となる。そのため、水の電気分解により水素を発生させることと、上記した高炉の操業条件（送風ガスとして酸素ガスを用い、かつ、還元材として再生メタンガスを用いる条件）とを組み合わせることにより、極めて高効率な資源循環システムを構築することが可能となる。また、操業柔軟性も向上する。
本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．高炉の操業方法であって、
水の電気分解により水素ガスを生成する工程と、
前記高炉から排出される副生ガスおよび前記水素ガスを用いて、再生メタンガスを生成する工程と、
前記高炉の羽口から前記高炉内に送風ガスおよび還元材を吹込む工程と、を有し、
前記送風ガスとして酸素ガスを用い、かつ、前記還元材の少なくとも一部に前記再生メタンガスを用いる、高炉の操業方法。
２．前記水の電気分解で使用する水の少なくとも一部に、前記再生メタンガスを生成する工程において生成する副生水を使用する、前記１に記載の高炉の操業方法。
３．前記酸素ガスの少なくとも一部に、前記水の電気分解において生成する副生酸素ガスを使用する、前記１または２に記載の高炉の操業方法。
４．前記水の電気分解において生成する水素ガスの全量を、前記再生メタンガスを生成する工程で使用し、かつ、
前記水の電気分解において生成する副生酸素ガスの全量を、前記酸素ガスに使用する、前記１または２に記載の高炉の操業方法。
５．前記還元材における循環炭素原子の原単位が６０ｋｇ／ｔ以上である、前記１～４のいずれかに記載の高炉の操業方法。
ここで、循環炭素原子の原単位とは、溶銑１ｔを製造する際に還元材として高炉内に吹込まれる再生メタンガスの炭素換算質量であり、次式により求める。
［循環炭素原子の原単位（ｋｇ／ｔ）］＝［還元材として高炉内に吹込まれる再生メタンガス中のメタンの質量（ｋｇ）］×（１２／１６）÷［溶銑製造量（ｔ）］
６．前記酸素ガスの酸素濃度が８０体積％以上である、前記１～５のいずれかに記載の高炉の操業方法。
７．前記副生ガスの一部から前記再生メタンガスを生成し、前記副生ガスの余剰分を製鉄所内に供給する、前記１～６のいずれかに記載の高炉の操業方法。
８．前記再生メタンガスの余剰分を製鉄所内に供給する、前記１～７のいずれかに記載の高炉の操業方法。
９．前記水の電気分解で使用する電力の少なくとも一部が、再生可能エネルギー由来の電力である、前記１～８のいずれかに記載の高炉の操業方法。
１０．前記水の電気分解で使用する電力の少なくとも一部が、製鉄所内の発電設備で発電した電力である、前記１～９のいずれかに記載の高炉の操業方法。
１１．前記製鉄所内の発電設備が、前記高炉の炉頂圧発電設備、および／または、前記副生ガスを燃料とする発電設備である、前記１０に記載の高炉の操業方法。
１２．前記１～１１のいずれかに記載の高炉の操業方法に用いる高炉附帯設備であって、
前記水の電気分解により前記水素ガスを生成する、水の電気分解装置と、
前記副生ガスから前記再生メタンガスを生成する、メタンガス生成装置と、
前記再生メタンガスを前記高炉の羽口に導入するメタンガス供給部、および、前記酸素ガスを前記高炉の羽口に導入する酸素ガス供給部を有する、ガス吹込装置と、
をそなえる、高炉附帯設備。
本発明によれば、安定した操業の下、高炉からの二酸化炭素（ＣＯ2）の排出量の一層の削減が可能となる。また、高効率な資源循環システムを構築することが可能となり、操業柔軟性が向上する。さらに、水素インフラが未整備な地域においても適用が可能であり、この点においても有利である。加えて、高炉ガスから生成したメタンガスを使用することにより、コークスおよび微粉炭、すなわち、有限の化石燃料である石炭の使用量を削減することも可能となる。
また、高炉から排出される副生ガス中の窒素の量が大幅に低減されるので、当該副生ガスから一酸化炭素や二酸化炭素を分離する工程、換言すれば、巨大なＰＳＡ（圧力変動吸着法）分離装置等が不要となり、設備のコンパクト化の点でも極めて有利になる。
さらに、水の電気分解で使用する電力を、再生可能エネルギー由来の電力や製鉄所内の発電設備で発電した電力にすることにより、二酸化炭素（ＣＯ2）の排出量をさらに削減したり、メタンガスの生成に必要な用役の自給率を向上させることが可能となる。
本発明の一実施形態に従う高炉の操業方法に用いる、高炉および高炉附帯設備の一例を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に従う高炉の操業方法に用いる、ガス吹込装置の例を模式的に示す図である。 比較例で用いた、高炉および高炉附帯設備を模式的に示す図である。 比較例で用いた、高炉および高炉附帯設備を模式的に示す図である。 比較例で用いた、高炉および高炉附帯設備を模式的に示す図である。 熱風送風条件および酸素ガス送風条件について、循環炭素原子の原単位と羽口先温度との関係の一例を示す図である。
本発明を、以下の実施形態に基づき説明する。
本発明の一実施形態は、高炉の操業方法であって、
水の電気分解により水素ガスを発生させる工程と、
前記高炉から排出される副生ガスおよび前記水素ガスを用いて、再生メタンガスを生成する工程と、
前記高炉の羽口から前記高炉内に送風ガスおよび還元材を吹込む工程と、を有し、
前記送風ガスとして酸素ガスを用い、かつ、前記還元材の少なくとも一部に前記再生メタンガスを用いる、というものである。
まず、本発明の一実施形態に従う高炉の操業方法を、図１に模式的に示す高炉および高炉附帯設備に適用した場合を例として、説明する。
図中、符号１は高炉、２は羽口、３はメタンガス生成装置、３－１は水の電気分解装置、４はガス吹込装置、５は第１の脱水装置、６は第２の脱水装置、７はバーナー、７－１は高炉の炉頂圧発電設備、７－２は高炉ガスを燃料とする発電設備である。
なお、ここでいう高炉には、シャフト型還元炉なども含むものとする。
［高炉の操業方法］
本発明の一実施形態に従う高炉の操業方法では、高炉の炉頂部から高炉内へ原料となる焼結鉱や塊鉱石、ペレット（以下、鉱石原料ともいう）やコークスなどが装入される（図示せず）。また、高炉下部に設置された羽口２から高炉１内へ、送風ガスと還元材とが吹込まれる。なお、羽口２から高炉１内へ吹込む還元材を、コークスと区別するため、吹込み還元材ともいう。
そして、送風ガスと還元材の反応により生じた一酸化炭素ガスや水素ガスによって、高炉１内に装入した鉱石原料が還元される。この鉱石原料の還元反応において、二酸化炭素が発生する。そして、この二酸化炭素は、鉱石原料と反応しなかった一酸化炭素や水素などとともに、副生ガスとして、高炉の炉頂部から排出される。高炉の炉頂部は２．５気圧程度の高圧条件となっている。そのため、この高炉の炉頂部から排出される副生ガス（高炉ガス）が、常圧に戻る際の膨張冷却により、水蒸気が凝縮する。そして、第１の脱水装置５において、その凝縮水が除去される。
ついで、高炉ガスの少なくとも一部を、メタンガス生成装置３に導入する。そして、メタンガス生成装置３において、高炉ガスに含まれる一酸化炭素および二酸化炭素と、水素ガスとを反応させて、メタン（ＣＨ4）ガスを生成する。ここで、高炉ガスを反応させて得たメタンガスを、再生メタンガスと称する。
なお、再生メタンガスの生成に使用する水素ガスは、水素濃度：１００体積％のガスでなくてもよいが、再生メタンガスのメタン濃度を高濃度とするため、水素濃度が高いガス、具体的には、水素濃度が８０体積％以上の水素ガスを用いることが好ましい。水素濃度は、より好ましくは９０体積％以上、さらに好ましくは９５体積％以上である。水素濃度は１００体積％であってもよい。水素以外の残部ガスとしては、例えば、ＣＯやＣＯ2、Ｈ2Ｓ、ＣＨ4、Ｎ2などが挙げられる。
そして、再生メタンガスの生成の際に使用する水素ガスの少なくとも一部に、水の電気分解装置３－１において、水の電気分解により生成する水素ガスを用いる。
これにより、水の電気分解で使用する水に、再生メタンガスを生成する工程において副次的に生成する副生水を使用することが可能となる。また、水の電気分解において副次的に生成する副生酸素ガスを、送風ガスとして用いる酸素ガスに使用することが可能となる。そのため、水の電気分解により水素を発生させることと、本発明の一実施形態に従う高炉の操業条件（送風ガスとして酸素ガスを用い、かつ、還元材として再生メタンガスを用いる条件）とを組み合わせることにより、極めて高効率な資源循環システムを構築することが可能となる。また、操業柔軟性も向上する。
また、水の電気分解で使用する水には、上記したように、副生水を使用することが好適である。なお、副生水の生成量に応じて、水の電気分解で使用する水を、製鉄所内から、適宜、供給してもよい。
さらに、副生酸素ガスは、全量、送風ガスとして用いる酸素ガスとして使用することが好適である。また、副生酸素ガスの供給量に応じて、副生酸素ガスの一部を別の酸素使用設備（例えば、転炉や電気炉、燃焼機器（加熱炉バーナーや焼結点火バーナー）など）に供給してもよい。
加えて、再生メタンガスの生成の際に使用する水素ガス（以下、再生メタンガス生成用水素ガスともいう）には、全量、水の電気分解で発生する水素ガスを用いることが好適である。なお、水の電気分解で発生する水素ガスの生成量に応じて、再生メタンガス生成用水素ガスを、外部や製鉄所内の別の設備から、適宜、供給してもよい。
製鉄所内の水素ガスの供給源としては、例えば、コークス炉ガス（コークス炉から排出される副生ガス）などが挙げられる。コークス炉ガスから水素ガスを供給する場合、コークス炉ガス中の水素をＰＳＡ（物理吸着）などで分離回収する方法や、コークス炉ガス中の炭化水素を改質（部分酸化）し、この改質ガスから、水素をＰＳＡ（物理吸着）などで分離回収する方法、などが挙げられる。
また、外部から供給される水素ガスとしては、例えば、天然ガスなどの炭化水素を水蒸気改質などによって改質することで製造される水素ガスや、液化水素を気化させて得られる水素ガス、有機ハイドライドを脱水素して製造される水素ガスなどが挙げられる。
なお、水の電気分解で使用する電力としては、特に限定されるものではないが、再生可能エネルギー由来の電力や製鉄所内の発電設備で発電した電力を使用することが好ましい。
再生可能エネルギー由来の電力を使用する場合、二酸化炭素の排出量の一層の削減が可能となる。ここで、再生可能エネルギーとは、自然界に定常的に存在するエネルギーであり、例えば、太陽光や風力、水力、地熱、バイオマスなどが挙げられる。
また、製鉄所内の発電設備で発電した電力を使用する場合、より高効率な資源循環システムを構築することが可能となる。ここで、製鉄所内の発電設備としては、例えば、高炉の炉頂圧発電設備７－１や、高炉ガスを燃料（熱源）とする発電設備７－２が挙げられる。なお、高炉ガスを燃料（熱源）とする発電設備７－２では、高炉の操業状態に合わせて、コークス炉ガスや転炉ガス（転炉から排出される副生ガス）、都市ガスを燃料に用いることができる。
ついで、再生メタンガスを常温まで冷却することにより、再生メタンガス中の水蒸気（副生水）が凝縮される。そして、第２の脱水装置６において、凝縮した副生水が除去される。なお、上述したように、この副生水を、水の電気分解装置３－１に供給し、水の電気分解で使用することが好ましい。
ついで、再生メタンガスを、ガス吹込装置４に導入する。ガス吹込装置４は、第２の脱水装置６を介してメタンガス生成装置３と接続される。また、ガス吹込装置４は、吹込み還元材となる再生メタンガスを高炉１の羽口２に導入するメタンガス供給部、および、送風ガスとなる酸素ガスを高炉の羽口に導入する酸素ガス供給部を有する。
例えば、図２（ａ）に示すように、ガス吹込装置４は、中心管４－１および外管４－３を有する同軸多重管から構成される。そして、メタンガス供給部（路）となる中心管内路へメタンガス（再生メタンガス、および、適宜、後述する外部メタンガス）が導入され、酸素ガス供給部（路）となる中心管４－１と外管４－３との間の環状管路へ酸素ガスが導入される。
また、その他の吹込み還元材、例えば、微粉炭や廃プラスチック、水素ガスや一酸化炭素ガス等の還元ガスを一緒に使用してもよい。なお、その他の吹込み還元材の高炉内への吹込み量は、合計で１５０ｋｇ／ｔ以下とすることが好適である。ここで、「ｋｇ／ｔ」という単位は、溶銑１ｔを製造する際に高炉内へ吹込むその他の吹込み還元材の量である。
その他の吹込み還元材を使用する場合、メタンガス供給部に、その他の吹込み還元材も一緒に導入してもよい。また、その他の吹込み還元材として微粉炭や廃プラスチックを用いる場合には、メタンガス供給部とは別に、微粉炭や廃プラスチックを流通させる別の還元材供給部（路）を設けることが好ましい。この場合、ガス吹込装置３は、例えば、図２（ｂ）に示すように、中心管４－１および外管４－３に加え、中心管４－１と外管４－３の間に内管４－２を設けた同軸多重管により構成される。そして、別の還元材供給部となる中心管内路から微粉炭や廃プラスチックなどのその他の吹込み還元材が導入される。また、メタンガス供給部となる中心管４－１と外管４－３との間の環状管路からメタンガスが導入され、酸素ガス供給部となる内管４－２と外管４－３との間の環状管路から酸素が導入される。
なお、送風ガスに常温の酸素ガスを用いると着火性が悪くなるので、ガス吹込装置４の酸素ガス供給部を構成する外管の吐出部を多孔構造とし、酸素ガスと吹込み還元材の混合を促進することが好ましい。
また、羽口から高炉内に吹込むメタンガス（以下、吹込みメタンガスともいう）の全量を再生メタンガスとする必要はなく、製鉄所の操業に合わせて、別のラインから供給されるメタンガス（外部メタンガスともいう）を使用してもよい（図示せず）。この場合、ガス吹込装置４のメタンガス供給部に外部メタンガスの供給ラインを接続してもよいし、上記した別の還元材供給部に外部メタンガスの供給ラインを接続してもよい。また、メタンガス生成装置３とガス吹込装置４の間（好ましくは、第２の脱水装置６とガス吹込装置４の間）の再生メタンガス流通路に、外部メタンガスの供給ラインを接続してもよい。
なお、外部メタンガスとしては、例えば、化石燃料由来のメタンガスなどが挙げられる。
ついで、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、ガス吹込装置４から導入された吹込みメタンガス等の吹込み還元材および酸素ガスが羽口２内で混合され、この混合ガスが、羽口２から高炉１内に吹込まれた直後に、急速着火・急速燃焼する。そして、羽口２の先の高炉内に、吹込みメタンガス等の吹込み還元材やコークスと酸素ガスとが反応する領域であるレースウェイ８が形成される。
なお、送風ガス中の酸素濃度が増加すると、炉内ガス量が少なくなり、高炉上部における装入物の昇温が不十分となる場合がある。この場合には、図１に示すように、第１の脱水装置５の下流の高炉ガスの一部を、８００℃～１０００℃程度となるようにバーナー７により部分燃焼させた後、高炉シャフト部に吹込む予熱ガス吹込みを行うことが好ましい。
そして、本発明の一実施形態に係る高炉の操業方法では、上述したように、送風ガスとして、熱風（１２００℃程度に加熱した空気）ではなく、酸素ガスを使用することが重要となる。
すなわち、送風ガスとして、熱風（１２００℃程度に加熱した空気）を使用する場合、燃焼ガス中に燃焼反応に寄与しない５０体積％程度の窒素が含まれるため、レースウェイにおける火炎の温度は高温となり難い。そのため、高炉内に吹込む還元材の多くを微粉炭からメタンガスに置換すると、上記した微粉炭－酸素の反応における反応熱と、メタンガス－酸素の反応における反応熱との差によって、羽口先温度が低下して、羽口先温度が適正温度の下限である２０００℃を下回ってしまう。その結果、高炉下部の着熱不足や圧損上昇、出滓不良などの操業トラブルを招く。また、高炉ガスに窒素が多量に含まれるようになるので、高炉ガスからメタンガスを生成する工程の前工程で、窒素と、一酸化炭素および二酸化炭素とを分離する工程が必要となる。
一方、送風ガスとして、酸素ガスを使用することにより、燃焼反応に寄与しない窒素ガスの混入を抑制できるので、羽口先温度を十分な温度まで昇温することが可能となる。すなわち、レースウェイにおける火炎の温度を、熱風を使用する場合と比べて高温とすることができる。そのため、羽口から還元材として多量のメタンを吹込む場合にも、羽口先温度を適正範囲である２０００℃～２４００℃の範囲に制御することが可能となる。
そのため、本発明の一実施形態に係る高炉の操業方法では、送風ガスとして、酸素ガスを使用することが重要となる。
また、上述したように、水の電気分解において、副次的に生成する副生酸素ガスを、送風ガスとして用いる酸素ガスとして使用することが好適である。これによって、高効率な資源循環システムを構築することが可能となる。なお、副生酸素ガス以外の酸素ガスは、例えば、深冷式空気分離装置により製造することができる。
なお、図６に、送風ガスとして熱風（１２００℃程度に加熱した空気）を用いた条件（以下、熱風送風条件ともいう）と、送風ガスとして酸素ガス（酸素濃度：１００％）を用いた条件（以下、酸素ガス送風条件ともいう）について、後述する還元材における循環炭素原子の原単位（以下、単に循環炭素原子の原単位ともいう）と羽口先温度との関係の一例を示す。両方の条件とも、吹込み還元材には、全量、再生メタンガス（メタン濃度：９９．５％）を使用している。
図６に示したように、熱風送風条件では、循環炭素原子の原単位が５２ｋｇ／ｔ以上（すなわち、再生メタンの吹き込み量が９７Ｎｍ3／ｔ以上）になると、羽口先温度が適正温度の下限である２０００℃を下回ってしまうことがわかる。このように、一般的に用いられている熱風送風条件では、循環炭素原子の原単位を、５５ｋｇ／ｔ以上、特には、６０ｋｇ／ｔ以上にすると、羽口先温度の低下を招き、安定した操業を行うことができない。
一方、酸素ガス送風条件では、循環炭素原子の原単位を５５ｋｇ／ｔ以上、さらには、６０ｋｇ／ｔ以上としても、羽口先温度を２０００℃以上に保つことが可能であることがわかる。
なお、図６の酸素ガス送風条件では、循環炭素原子の原単位が５５ｋｇ／ｔ～８０ｋｇ／ｔの範囲で羽口先温度が適正温度の上限である２４００℃を超えている。これは、吹込み還元材に、全量、再生メタンを使用しているためであり、吹込み還元材の一部に外部メタンガスを使用する場合には、循環炭素原子の原単位が５５ｋｇ／ｔ～８０ｋｇ／ｔの範囲においても羽口先温度を２０００℃～２４００℃の範囲に制御することが可能である。また、吹込み還元材に、全量、再生メタンを使用する場合にも、酸素ガスの酸素濃度を調整することによって、羽口先温度を２０００℃～２４００℃の範囲に制御することが可能である。
また、酸素ガスにおける酸素濃度は、８０体積％以上とすることが好ましい。すなわち、酸素ガスにおける酸素濃度が低いと、高炉内への導入するガス量、ひいては、高炉の圧力損失が増大して、生産性が低下するおそれがある。また、上記のガス循環を繰り返す間に、再生メタンガス中のメタンガスの濃度が相対的に低下する。そのため、酸素ガスにおける酸素濃度は８０体積％以上とすることが好ましい。酸素濃度は、より好ましくは９０体積％以上、さらに好ましくは９５体積％以上である。特に、酸素濃度が９０体積％以上であれば、通常の高炉の操業期間を超えて操業する場合にも、外部メタンガスの供給などなしに、再生メタンガス中のメタンガス濃度を高濃度（９０体積％程度）に保つことができるので、非常に有利である。酸素濃度は１００体積％であってもよい。
なお、酸素ガス中の酸素以外の残部ガスとしては、例えば、窒素や二酸化炭素、アルゴン等が含まれていてもよい。
また、再生メタンガス、または、再生メタンガスおよび外部メタンガスにより構成される吹込みメタンガスのメタン濃度は８０体積％以上とすることが好ましい。
すなわち、吹込みメタンガス中のメタン濃度が低いと、高炉内への吹込むガス量、ひいては、高炉の圧力損失が増大して、生産性が低下するおそれがある。また、上記したガス循環を繰り返す間に、再生メタンガス中のメタン濃度が相対的に低下する。そのため、吹込みメタンガスのメタン濃度は、８０体積％以上とすることが好ましい。吹込みメタンガスのメタン濃度は、より好ましくは９０体積％以上、さらに好ましくは９５体積％以上である。吹込みメタンガスのメタン濃度は１００体積％であってもよい。
同様の理由から、再生メタンガスおよび外部メタンガスのメタン濃度もそれぞれ、８０体積％以上とすることが好ましい。再生メタンガスおよび外部メタンガスのメタン濃度はそれぞれ、より好ましくは９０体積％以上、さらに好ましくは９５体積％以上である。再生メタンガスおよび外部メタンガスのメタン濃度はそれぞれ１００体積％であってもよい。
なお、吹込みメタンガス、再生メタンガスおよび外部メタンガス中のメタン以外の残部ガスとしては、例えば、一酸化炭素、二酸化炭素、水素および炭化水素、ならびに、窒素などの不純物ガスが含まれていてもよい。
また、再生メタンガスのメタン濃度が低下した場合には、例えば、吹込みメタンガスにおける再生メタンガスの割合を低下させる一方、メタン濃度の高い外部メタンガスの割合を増加させることによって、吹込みメタンガス中のメタン濃度を高く保つことが可能である。
また、本発明の一実施形態に係る高炉の操業方法では、還元材における循環炭素原子の原単位を５５ｋｇ／ｔ以上、さらには６０ｋｇ／ｔ以上とすることが好ましい。
ここで、循環炭素原子の原単位とは、溶銑１ｔを製造する際に還元材として高炉内に吹込まれる再生メタンガスの炭素換算質量であり、次式により求める。
［循環炭素原子の原単位（ｋｇ／ｔ）］＝［還元材として高炉内に吹込まれる再生メタンガス中のメタンの質量（ｋｇ）］×（１２／１６）÷［溶銑製造量（ｔ）］
高炉の安定操業のためには、通常、羽口先温度を２０００℃～２４００℃の範囲に制御する必要がある。そのため、送風ガスとして、熱風（１２００℃程度に加熱した空気）を使用する場合には、羽口先温度を上記の範囲に保持する観点から、メタンガスを、炭素換算質量で５２ｋｇ／ｔ程度までしか高炉内に吹込むことができない。すなわち、高炉内に吹込むメタンガスの全量を、再生メタンガスとしても、還元材における循環炭素原子の原単位は、５２ｋｇ／ｔ程度にしかならない。
一方、本発明の一実施形態に係る高炉の操業方法では、メタンガスの吹込み量を大幅に増加させても羽口先温度を２０００℃～２４００℃の範囲に制御することができる。そのため、還元材における循環炭素原子の原単位を５５ｋｇ／ｔ以上、さらには６０ｋｇ／ｔ以上に増加させることができる。これによって、高炉ガスに含まれる一酸化炭素や二酸化炭素に由来する再生メタンガスの使用量が増加し、高炉からの二酸化炭素の排出量が一層削減される。還元材における循環炭素原子の原単位は、８０ｋｇ／ｔ以上、さらには、９０ｋｇ／ｔ以上とすることがより好適である。還元材における循環炭素原子の原単位の上限は、特に限定されるものではないが、１１０ｋｇ／ｔ以下とすることが好ましい。
なお、還元材における循環炭素原子の原単位は、吹込み還元材における再生メタンガスの羽口への吹き込み量を調整することにより、制御することができる。
特に、吹込みメタンガスにおける再生メタンガスの割合を８０体積％以上、好ましくは９０体積％以上とすることにより、高い二酸化炭素の排出量削減効果が得られる。
また、高炉ガスの一部から再生メタンガスを生成し、高炉ガスの余剰分を製鉄所内に供給してもよい。さらに、再生メタンガスに余剰分がある場合には、その余剰分を製鉄所内に供給してもよい。
なお、酸素ガスおよび還元材の吹込み量やその他の操業条件は、特に限定されず、高炉の容量などに応じ、適宜決定すればよい。
［高炉附帯設備］
本発明の一実施形態に従う高炉附帯設備は、上記の高炉の操業方法に用いる高炉附帯設備であって、
前記水の電気分解により前記水素ガスを発生させる、水の電気分解装置と、
前記副生ガスから前記再生メタンガスを生成する、メタンガス生成装置と、
前記再生メタンガスを前記高炉の羽口に導入するメタンガス供給部、および、前記酸素ガスを前記高炉の羽口に導入する酸素ガス供給部を有する、ガス吹込装置と、
をそなえる、高炉附帯設備である。
ここで、水の電気分解装置としては、例えば、固体高分子膜（PEM：Polymer Electrolyte Membrane）水電解設備などが挙げられる。
また、メタンガス生成装置は、例えば、高炉ガス取入れ部と、水素ガス取入れ部と、反応部を有する。反応部では、高炉ガス取入れ部から取り入れた高炉ガスと、水素ガス取入れ部から取り入れた水素ガスとを反応させて、再生メタンガスを生成する。なお、メタンガスの生成反応では発熱が起こるので、反応部は冷却機構をそなえることが好ましい。
ガス吹込装置は、上記したように、例えば、図２（ａ）に示すように、中心管４－１および外管４－３を有する同軸多重管から構成される。そして、メタンガス供給部（路）となる中心管内路へメタンガス（再生メタンガス、および、適宜、後述する外部メタンガス）が導入され、酸素ガス供給部（路）となる中心管４－１と外管４－３との間の環状管路へ酸素ガスが導入される。
また、その他の吹込み還元材、例えば、微粉炭や廃プラスチック、水素ガスや一酸化炭素ガス等の還元ガスを一緒に使用してもよい。
その他の吹込み還元材を使用する場合、メタンガス供給部に、その他の吹込み還元材も一緒に導入してもよい。また、その他の吹込み還元材として微粉炭や廃プラスチックを用いる場合には、メタンガス供給部とは別に、微粉炭や廃プラスチックを流通させる別の還元材供給部（路）を設けることが好ましい。この場合、ガス吹込装置は、例えば、図２（ｂ）に示すように、中心管４－１および外管４－３に加え、中心管４－１と外管４－３の間に内管４－２を設けた同軸多重管により構成される。そして、別の還元材供給部となる中心管内路から微粉炭や廃プラスチックなどのその他の吹込み還元材が導入される。また、メタンガス供給部となる中心管４－１と外管４－３との間の環状管路からメタンガスが導入され、酸素ガス供給部となる内管４－２と外管４－３との間の環状管路から酸素が導入される。
図１および図３～５に模式的に示した高炉および高炉附帯設備を用いて、表１に示す条件で高炉操業を行い、操業中の羽口先温度および高炉からの二酸化炭素の排出量を評価した。評価結果を表１に併記する。
なお、図３～５中、符号９は熱風炉、１０はガス分離装置、１１は熱風炉排ガス用脱水装置である。
ここで、発明例１では、図１に模式的に示した高炉および高炉附帯設備を用い、高炉ガスの一部から再生メタンガスを生成し、高炉ガスの余剰分を製鉄所内に供給した。また、吹込み還元材には、全量、再生メタンガスを使用し、再生メタンガスの余剰分を、製鉄所内に供給した。また、メタンガス生成工程に使用する水素ガスの全量を、水の電気分解により生成した。この水の電気分解の際に生成する副生酸素ガスを、高炉の送風ガスとして用いた。また、発生した副生酸素ガスの余剰分を、製鉄所の別の設備（転炉や電気炉など）に供給した。さらに、水の電気分解に利用する水の一部に、メタンガス生成工程で生成する副生水を使用した。水の電気分解に必要な電力の一部に製鉄所内の発電設備で発電した電力を使用し、残りの電力に、再生可能エネルギー由来の電力および外部電力を使用した。
発明例２では、図１に模式的に示した高炉および高炉附帯設備を用い、高炉ガスの一部から再生メタンガスを生成し、高炉ガスの余剰分を製鉄所内に供給した。また、吹込み還元材には、全量、再生メタンガスを使用し、再生メタンガスの余剰分が発生しないように、再生メタンガスの生成量を調整した。また、実施例１と同様、メタンガス生成工程に使用する水素ガスの全量を、水の電気分解により生成した。この水の電気分解の際に生成する副生酸素ガスを、高炉の送風ガスとして用いた。また、発生した副生酸素ガスの余剰分を、製鉄所の別の設備（転炉や電気炉など）に供給した。
発明例３では、図１に模式的に示した高炉および高炉附帯設備を用い、高炉ガスの全量から再生メタンガスを生成した。また、吹込み還元材には、全量、再生メタンガスを使用し、再生メタンガスの余剰分を、製鉄所内に供給した。また、実施例１と同様、メタンガス生成工程に使用する水素ガスの全量を、水の電気分解により生成した。この水の電気分解の際に生成する副生酸素ガスを、高炉の送風ガスとして用いた。また、発生した副生酸素ガスの余剰分を、製鉄所の別の設備（転炉や電気炉など）に供給した。
発明例３－１および３－２では、図１に模式的に示した高炉および高炉附帯設備を用い、高炉ガスの全量から再生メタンガスを生成した。また、吹込み還元材には、全量、再生メタンガスを使用し、再生メタンガスの余剰分を、製鉄所内に供給した。また、メタンガス生成工程に使用する水素ガスの半分を、水の電気分解により生成した。残りの半分については、外部からの水素ガスを使用した。水の電気分解の際に生成する副生酸素ガスを、高炉の送風ガスとして用いた。また、発生した副生酸素ガスの余剰分を、製鉄所の別の設備（転炉や電気炉など）に供給した。そして、発明例３－１および３－２では、水の電気分解に必要な電力の一部に製鉄所内の発電設備で発電した電力を使用し、その割合を変化させた。
発明例３－３では、図１に模式的に示した高炉および高炉附帯設備を用い、高炉ガスの全量から再生メタンガスを生成した。また、吹込み還元材には、全量、再生メタンガスを使用し、再生メタンガスの余剰分を、製鉄所内に供給した。また、メタンガス生成工程に使用する水素ガスの半分を、水の電気分解により生成した。残りの半分については、外部からの水素ガスを使用した。この水の電気分解の際に生成する副生酸素ガスを、高炉の送風ガスとして用いた。また、発生した副生酸素ガスの余剰分を、製鉄所の別の設備（転炉や電気炉など）に供給した。さらに、水の電気分解に必要な電力に、全量、再生可能エネルギー由来の電力および外部電力を使用した。
発明例４および５では、図１に模式的に示した高炉および高炉附帯設備を用い、高炉ガスの一部から再生メタンガスを生成し、高炉ガスの余剰分を製鉄所内に供給した。また、吹込み還元材には、再生メタンガスに加え、一部、化石燃料由来の外部メタンガスを使用した。また、高炉の送風ガスの一部に、水の電気分解の際に生成する副生酸素ガスを使用し、残りは、製鉄所の深冷分離装置等から製造した酸素ガスを使用した。
一方、比較例１では、図３に模式的に示した高炉および高炉附帯設備を用いた。すなわち、比較例１は、送風ガスとして、熱風（１２００℃程度に加熱した空気（酸素濃度：２１～２５体積％程度））を、吹込み還元材として微粉炭をそれぞれ使用した、一般的な高炉操業方法である。なお、高炉ガスからの再生メタンガスの生成は行わなかった。
比較例２では、図４に模式的に示した高炉および高炉附帯設備を用いた。ここでは、送風ガスとして、熱風（１２００℃程度に加熱した空気（酸素濃度：２１～２５体積％程度））を、吹込み還元材として再生メタンガスをそれぞれ使用した。また、再生メタンガスの生成前に、高炉ガスから一酸化炭素および二酸化炭素を分離し、分離した一酸化炭素および二酸化炭素から、再生メタンガスを生成した。
比較例３では、図５に模式的に示した高炉および高炉附帯設備を用いた。ここでは、送風ガスとして、熱風（１２００℃程度に加熱した空気（酸素濃度：２１～２５体積％程度））を、吹込み還元材として再生メタンガスをそれぞれ使用した。また、再生メタンガスの生成では、高炉ガスではなく、熱風炉の副生ガス（以下、熱風炉排ガスともいう）を使用した。そして、熱風炉排ガスから二酸化炭素を分離し、分離した二酸化炭素から、再生メタンガスを生成した。
比較例４では、図１に模式的に示した高炉および高炉附帯設備を用い、高炉ガスの一部から再生メタンガスを生成し、高炉ガスの余剰分を製鉄所内に供給した。また、吹込み還元材には、再生メタンガスに加え、一部、化石燃料由来の外部メタンガスを使用した。
比較例５では、比較例２と同様、図４に模式的に示した高炉および高炉附帯設備を用いた。なお、比較例５は、吹込みメタンガス比を増加させたこと以外は、比較例２と同じ条件である。
なお、比較の観点から、高炉の諸元は可能な限り統一した。すなわち、シャフト効率は９４％、ヒートロスは１５００００ｋｃａｌ／ｔとなるようにした。
なお、「ｋｃａｌ／ｔ」という単位は、溶銑１ｔを製造する際に発生するヒートロス量（ｋｃａｌ）を意味するものである。同様に、コークス比などで使用する「ｋｇ／ｔ」という単位は、溶銑１ｔを製造する際に使用されるコークスの量（ｋｇ）などを意味するものである。また、吹込みメタン比などに使用する「Ｎｍ3／ｔ」という単位も、溶銑１ｔを製造する際に高炉内に吹込まれる吹込みメタンガス中のメタン量（Ｎｍ3）などを意味するものである（なお、吹込みメタン比は、再生メタン比および外部メタン比の和であるが、再生メタンガスには、メタン以外の微量の残部ガスが含まれている。また、表１中に表示している再生メタン比および外部メタン比の値は、いずれもメタン以外の微量の残部ガスを除いたメタン量であり、小数点以下第１位を四捨五入した値である。そのため、表１中の吹込みメタン比と、再生メタン比および外部メタン比の和が一致しない場合がある。また、表１中の他の数値についても、同様の場合がある。）。
また、表１中の「高炉ＩｎｐｕｔＣ」は、溶銑１ｔを製造する際に使用する外部由来の（具体的には、コークス、微粉炭および外部メタンガスに含まれる）炭素原子の質量（ｋｇ）を意味するものである。
Figure 0007028364000001
Figure 0007028364000002
Figure 0007028364000003
表１に示すように、発明例ではいずれも、羽口先温度を２０００℃～２４００℃の範囲に制御することで安定した高炉の操業を行いながら、高炉から外部へ排出される二酸化炭素量を削減することができた。特に、発明例１～３－３では、高炉から外部へ排出される二酸化炭素量を大幅に削減することができた。
一方、比較例１～４では、十分な二酸化炭素量の削減効果が得られなかった。また、比較例５では、吹込みメタンガス量の増加により、羽口先温度が２０００℃未満になったため、安定した高炉の操業を行うことができなかった。
１：高炉
２：羽口
３：メタンガス生成装置
３－１：水の電気分解装置
４：ガス吹込装置
４－１：中心管
４－２：内管
４－３：外管
５：第１の脱水装置
６：第２の脱水装置
７：バーナー
７－１：高炉の炉頂圧発電設備
７－２：高炉ガスを燃料とする発電設備
８：レースウェイ
９：熱風炉
１０：ガス分離装置
１１：熱風炉排ガス用脱水装置

Claims (12)

  1. 高炉の操業方法であって、
    水の電気分解により水素ガスを生成する工程と、
    前記高炉から排出される副生ガスおよび前記水素ガスを用いて、再生メタンガスを生成する工程と、
    前記高炉の羽口から前記高炉内に送風ガスおよび還元材を吹込む工程と、を有し、
    前記送風ガスとして酸素ガスを用い、かつ、前記還元材の少なくとも一部に前記再生メタンガスを用い、
    溶銑１ｔを製造する際に還元材として高炉内に吹込まれる再生メタンガスの炭素換算質量である循環炭素原子の原単位が５５ｋｇ／ｔ以上である、高炉の操業方法。
  2. 前記水の電気分解で使用する水の少なくとも一部に、前記再生メタンガスを生成する工程において生成する副生水を使用する、請求項１に記載の高炉の操業方法。
  3. 前記酸素ガスの少なくとも一部に、前記水の電気分解において生成する副生酸素ガスを使用する、請求項１または２に記載の高炉の操業方法。
  4. 前記水の電気分解において生成する水素ガスの全量を、前記再生メタンガスを生成する工程で使用し、かつ、
    前記水の電気分解において生成する副生酸素ガスの全量を、前記酸素ガスに使用する、請求項１または２に記載の高炉の操業方法。
  5. 前記還元材における循環炭素原子の原単位が６０ｋｇ／ｔ以上である、請求項１～４のいずれかに記載の高炉の操業方法。
    ここで、循環炭素原子の原単位は、次式により求める。
    ［循環炭素原子の原単位（ｋｇ／ｔ）］＝［還元材として高炉内に吹込まれる再生メタンガス中のメタンの質量（ｋｇ）］×（１２／１６）÷［溶銑製造量（ｔ）］
  6. 前記酸素ガスの酸素濃度が８０体積％以上である、請求項１～５のいずれかに記載の高炉の操業方法。
  7. 前記副生ガスの一部から前記再生メタンガスを生成し、前記副生ガスの余剰分を製鉄所内に供給する、請求項１～６のいずれかに記載の高炉の操業方法。
  8. 前記再生メタンガスの余剰分を製鉄所内に供給する、請求項１～７のいずれかに記載の高炉の操業方法。
  9. 前記水の電気分解で使用する電力の少なくとも一部が、再生可能エネルギー由来の電力である、請求項１～８のいずれかに記載の高炉の操業方法。
  10. 前記水の電気分解で使用する電力の少なくとも一部が、製鉄所内の発電設備で発電した電力である、請求項１～９のいずれかに記載の高炉の操業方法。
  11. 前記製鉄所内の発電設備が、前記高炉の炉頂圧発電設備、および／または、前記副生ガスを燃料とする発電設備である、請求項１０に記載の高炉の操業方法。
  12. 請求項１～１１のいずれかに記載の高炉の操業方法に用いる高炉附帯設備であって、
    前記水の電気分解により前記水素ガスを生成する、水の電気分解装置と、
    前記副生ガスから前記再生メタンガスを生成する、メタンガス生成装置と、
    前記再生メタンガスを前記高炉の羽口に導入するメタンガス供給部、および、前記酸素ガスを前記高炉の羽口に導入する酸素ガス供給部を有する、ガス吹込装置と、
    をそなえる、高炉附帯設備。
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