JPH11199907A - 高温酸素高炉インジェクションシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 噴射空気を燃料及び酸素と共に提供し、次い
で高炉に送り込むことにより、高炉の運転を改良させ得
る方法を提供すること。 【解決手段】 噴射空気流れ（３）が高炉の側壁内の羽
口と連通する噴射パイプ内を流動し、燃料が燃料ランス
（８）を通して噴射パイプ（６）内の噴射空気流れ３中
に提供される。高温酸素ランス（９）から噴射空気流れ
（３）中に高温の酸素が提供される。高運動量の高温の
酸素ジェットが、燃料をこの酸素ジェット中に混合ある
いは連行する強い混合作用を創出し、燃料中の揮発成分
を急速に揮発させる。燃料の燃焼を開始させるための何
らの追加的混合も不要である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に高炉の運転に
関し、詳しくは、噴射空気流れに酸素が添加される高炉
の運転に関する。

【０００２】

【従来の技術】高炉は、製鋼のための高純度鉄の主要な
供給源である。高純度鉄は、鋼から化学的に除去するの
が難しい銅のような有害成分の水準が最小であるべき、
最高品質の鋼を製造するために必要である。高炉はま
た、フェロマンガンや鉛のようなその他の金属を製造す
るためにも使用される。製司コークスは伝統的な一次燃
料であり、また、高炉プロセスで消費される還元ガスの
ための供給源でもある。コークス、フラックスそして鉄
鉱石のような鉱石は炉上位置で層状に充填され、炉底に
は高温の空気が噴入される。この空気はコークスと反応
してプロセスのための熱を発生して還元ガスを生じ、こ
の還元ガスがコークス、フラックス及び鉱石を前加熱
し、炉を通して流動する鉄鉱石を鉄に変える。ガスは炉
上から排出されその一部が、噴入する空気を前加熱する
ための燃料として使用される。

【０００３】製司コークスは空気の存在しない状態下に
石炭を加熱し、石炭の高揮発性成分を放逐させることに
より形成する。これらの揮発性成分の多くは環境上及び
健康上危険なものであるために、近年ではコークス製造
に対する規制が強化されてきている。そうした規制に合
わせるためのコストがコークス製造の運転コストを上昇
させ、コークス製造のための新規の設備のための要求資
本を増大させている。その結果、コークスの供給量は次
第に減少し値段は上昇している。こうした要因から、高
炉のオペレータはコークス使用量を減少させると共に、
炉に噴入される高温空気の供給源にコークスに代わる化
石燃料を大量に注入せざるを得なくなっている。注入さ
れる化石燃料として最も一般的なものは微粉炭、粒状
炭、天然ガスである。微粉炭及び粒状炭は経済的理由か
ら好ましいものである。

【０００４】コークスは、炉を上昇する還元ガスにより
前加熱される。対照的に、代替化石燃料は周囲温度下に
注入される。従って、そうした代替燃料を噴射空気供給
源に添加すると、コークスのみを燃料として使用した場
合には生じない熱的負荷が加えられる。高炉のオペレー
タは、噴射空気中に酸素を添加することでこの問題を解
決し、そうすることにによる幾つかの利益も提供され
た。しかしながら、酸素を添加する場合でさえも、化石
燃料の注入水準が高くなると、注入した化石燃料の燃焼
が弱くあるいは不完全となることに関連する高炉運転上
の問題により、高炉を運転することができない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】噴射空気を燃料及び酸
素と共に提供し、次いで高炉に送り込むことにより、高
炉の運転を改良させ得る方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に従えば、高炉内
に噴射流れを提供するための方法であって、（ａ）噴射
空気速度及び噴射空気温度を有する噴射空気流れを確立
すること、（ｂ）該噴射空気流れ中に燃料を送り込むこ
と、（ｃ）噴射空気速度を超える速度を有し且つ噴射空
気温度を超える温度を有する酸素のジェットを噴射空気
流れ中に注入すること、（ｄ）噴射空気流れ内で燃料を
酸素と共に燃焼させて高温の噴射流れを創出すること、
（ｅ）高温の噴射流れを高炉に送り込むこと、を含む、
噴射流れを高炉内に提供するための方法が提供される。
ここで“酸素”とは、酸素濃度が少なくとも５０モル％
である流体を意味し、“高炉”とは、るつぼ状の炉床を
覆って竪型煙突を重ねた背高のシャフトタイプの炉を意
味する。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明によれば、噴射空気流れの
内部に高温且つ高酸素濃度の帯域を創出することによ
り、燃料の点火及び燃焼条件が改善される。以下に本発
明を図面を参照して詳しく説明する。図１を参照する
に、周囲空気１がヒータ２を通過するに際して加熱さ
れ、ヒータ２から、一般に毎秒１２５乃至２７５メート
ル（ｍｐｓ）の範囲内の速度と、８７０乃至１３２０℃
の範囲内の温度とを有する噴射空気流れ３として送り出
される。噴射空気流れは、高炉の側壁内の羽口と連通す
る噴射パイプ内を通して移動する。

【０００８】燃料４が、噴出パイプあるいは羽口の何れ
かの内部の噴射空気流れに添加される。燃料は、酸素と
燃焼する任意の有効な燃料とすることができる。そうし
た燃料には、微粉炭、粒状炭あるいは粉炭のような石炭
や天然ガスそしてコークス炉ガスがある。好ましい燃料
は微粉炭、粒状炭あるいは粉炭である。

【０００９】酸素ジェット５が、噴射パイプあるいは羽
口の何れかの内部の噴射空気流れに注入される。酸素ジ
ェットは酸素濃度が少なくとも５０モル％あるいはそれ
以上であり得、速度は一般に３５０乃至８５０ｍｐｓの
範囲内であり、少なくとも音速の半分であるのが好まし
い。音速は、例えば１３７０℃では約７８０ｍｐｓであ
り、１６５０℃では８５０ｍｐｓである。酸素ジェット
の温度は噴射空気流れ３のそれよりも高く、一般に１２
００乃至１６５０℃の範囲内である。本発明の定義する
高温の酸素ジェットを確立するための任意の好適な手段
を使用することができる。本発明の定義する高温の酸素
ジェットを発生させるために特に好ましい方法は米国特
許第５，２６６，０２４号に記載される。

【００１０】図２には噴射空気流れ中に燃料及び高温の
酸素を提供するための１実施例の詳細が示される。この
図２を参照するに、噴射空気流れ３は高炉の側壁内の羽
口と連通する噴射パイプ内を流動する。実際は高炉の周
囲には複数の羽口が設けられ、本発明を実施することに
より発生した噴射空気流れがそうした羽口の１つ以上を
通して高炉に送り込まれる。燃料、例えば微粉炭、粉炭
あるいは粒状炭が燃料ランス８を通して噴射パイプ６内
の噴射空気流れ３中に提供され、高温酸素ランス９を通
して噴射パイプ６内の噴射空気流れ３中に高温の酸素が
提供される。

【００１１】高速の、かくして高運動量の高温の酸素ジ
ェットが、燃料をこの酸素ジェット中に混合あるいは連
行する強い混合作用を創出する。更には、酸素ジェット
が高温であることにより、燃料が揮発性成分を含んでい
る場合にはそれらの揮発性成分を急速に揮発させる。酸
素ジェットが高温であることにより、燃料の燃焼を開始
させるための何らの追加的混合も不要である。それとは
逆に、酸素ジェットが周囲温度あるいは周囲温度に近い
温度で注入される場合には、燃料を着火させるための十
分な熱を提供するための噴射空気との混合が必要とな
る。酸素ジェットをそのように噴射空気流れと混合させ
と酸素ジェット内の酸素濃度は低下する。酸素濃度の低
下は着火及び燃焼にとって有害である。斯くして、本発
明においては注入される高温の酸素ジェットが、高酸素
濃度部分で着火が生じ得る条件を創出することにより燃
焼を増長させるために有効に使用される。本発明の方法
は、化石燃料の注入速度上の制限事項をもたらすところ
の、注入される燃料の燃焼が弱くなるあるいは不完全と
なることに関する従来からの高炉運転上の問題を解決す
る。

【００１２】高温酸素ランスは噴射パイプの壁を燃料ラ
ンスの角度と等しいあるいは類似の角度でもって貫き、
この高温酸素ランスの先端部が、酸素ジェットと、注入
される燃料とが、燃料ランスの先端部と実用的な近さで
交差するように位置決めされる。これら２つのランスの
先端どうしの距離は、酸素ジェットの初期の直径を確定
するところの、高温酸素ジェットの出口ノズルの直径の
約５乃至５０倍とすることができる。この距離を近づけ
るほど混合のために伝達される運動量は大きくなるが、
燃料ランスが加熱する恐れが出てくる。前記距離が大き
すぎると希釈度が過剰となり、高温の酸素ジェットの流
れは噴射空気によって冷却されてしまう。しかしなが
ら、前述の距離の範囲内であれば高温酸素ランスの先端
部を噴射パイプの壁と面一状態として酸素ジェットを噴
射空気から保護し、またランス寿命を延ばすようにする
こともできる。高温酸素のジェットは高速且つ高運動量
であることから、噴射空気流れを横断方向に貫き、注入
された燃料と混合することができる。

【００１３】燃料と高温の酸素とが噴射空気流れの中で
燃焼することにより、高温の噴射流れ１０が形成され
る。図１を参照するに、この高温の噴射流れ１０は高炉
１１内に送られ、高炉内に熱と還元ガスとを発生させる
ために使用される。廃棄ガスは高炉１１からの廃棄流れ
１２の中に排出される。以下の例は本発明を更に説明す
るためのものであり、本発明はこれに限定されるもので
はない。

【００１４】図３及び図４には、パイロット規模での噴
射パイプにおいて検討した４つのケース、即ち、（１）
噴射空気流れに酸素を提供しなかった場合である“ベー
ス”ケースと、（２）噴射空気ヒータの上流側に周囲温
度酸素を提供した“富化”ケースと、（３）酸素を図２
に示すと類似の態様で、しかし周囲温度で噴射空気流れ
に提供した“低温注入”ケースと、（４）図２に示すと
類似の態様で本発明の方法を用いた“高温注入”ケース
と、における完全燃焼率と、揮発性成分放出率（ＶＭ）
と、固定炭素燃焼率（ＦＣ）とをグラフ化したものであ
る。何れの場合でも噴射空気流れの噴射空気速度は１６
０ｍｐｓであり、温度は９００℃であった。燃料は高揮
発性を有する微粉炭であった。この微粉炭は表１に示す
ような分析成分を有し、商業的な高炉運転に際して使用
される代表的な種類のものであった。燃料は２つの流
量、即ち、図３に示す結果を伴うところの、毎時７．５
キログラム（ｋｇ／ｈｒ）と、図４に示す結果を伴うと
ころの、毎時９．５キログラム（ｋｇ／ｈｒ）とにおい
て噴射空気流れ中に提供された。

【００１５】

【表１】 表１−石炭の分析表近似分析 重量パーセント 元素分析 重量パーセント 水分 １．１９ 炭素 ７７．５ 灰分 ７．１３ 水素 ５．１ 揮発分 ３４．９４ 窒素 １．４ 固定炭素 ５６．７５ 硫黄 １．０ 酸素 ６．７

【００１６】石炭注入ポイントの０．７５メートル下流
側で水により急冷させることによりチャコールを収集し
た。石炭の完全燃焼の画分“Ｔ”は、本来の石炭の灰分
含有量“Ａ₀”と、収集されたチャコールの灰分含有量
“Ａ₁”とを式、Ｔ＝（Ａ₁−Ａ₀）／Ａ₁（１−Ａ₀）に
従って化学的に分析することにより決定した。

【００１７】揮発性成分の放出率Ｒと、固定炭素の燃焼
率Ｃとは、石炭中の灰分、揮発性物質（Ｖ₀）及び固定
炭素（Ｆ₀）と、チャコール中の灰分、揮発性物質
（Ｖ₁）及び固定炭素（Ｆ₁）とを、式：Ｒ＝１-Ｖ₁Ａ₀/
Ｖ₀Ａ₁及び式Ｃ＝１-Ｆ₁Ａ₀/Ｆ₀Ａ ₁に従い分析すること
により決定された。

【００１８】酸素を使用する各ケースでは３．７Ｎｍ³/
ｈｒの空気流れを酸素で代替した。富化ケースでは、空
気と酸素とを周囲温度下に混合し、この混合物を９００
℃に加熱して、ガスの合計流量と速度及び温度とがベー
スケースの場合と同じになるようにした。室温注入ケー
スでは、９００℃での噴射のために９３．７Ｎｍ₃/ｈｒ
の空気を使用し、３．７Ｎｍ₃/ｈｒの酸素を酸素ランス
を通して注入した。ガスの合計流量はベースケースのそ
れと同じであり、一方、ガス温度は、添加される酸素が
加熱されないことからベースケースの場合よりも低かっ
た。

【００１９】周囲温度の酸素のノズル速度は約６０ｍｐ
ｓ、即ち、噴射空気流れの速度の０．３７５倍であっ
た。低温注入ケースで使用した酸素は純度が約９９．９
９％であった。高温注入ケースでの条件は、酸素が米国
特許第５，２６６，０２４号に記載される方法を使用し
て発生され、高温酸素ランスから噴射空気流れ中に送り
込まれることにより、速度が約３７５ｍｐｓ、即ち、噴
射空気流れの速度の２．３４倍であり、温度が１５６５
℃である高温酸素を提供する点を除き、低温注入ケース
のそれと同じであった。

【００２０】図３及び４には、石炭注入量が毎時７．５
ｋ及び９．５ｋｇである夫々のケースについての完全燃
焼率、揮発性成分放出率、固定炭素燃焼率の比較が示さ
れている。これらの図からわかるように、高温酸素を使
用した場合は各カテゴリーでのパフォーマンスが一貫し
て高いことが示される。実際、石炭注入量を毎時９．５
ｋｇとした時の、高温酸素を伴う場合の完全燃焼率は、
石炭注入量が毎時７．５ｋｇの時のその他の何れの場合
よりも高く、高温酸素を使用する場合に石炭が高い流量
で成功裡に注入され得ることが示された。

【００２１】噴射パイプ及び羽口内で燃焼しなかったチ
ャコールは炉に入り、コークスと共に燃焼する。チャコ
ールは十分な反応性を有していない場合には炉上に上昇
して鉱物／コークス床を詰まらせ得る。収集されたチャ
コールを使用して、炉条件下でのその反応性を見るため
の追加的な試験を実施した。チャコールサンプルが、熱
重量分析装置内で、２％酸素及び５％酸素を含有し、残
余分が１０％の二酸化炭素を含有する窒素である雰囲気
中で１７００℃の温度下に反応された。

【００２２】チャコールの重量損失率から反応性が測定
された。図５には各ケースで収集されたチャコールのた
めの結果と、高炉の羽口での試験において収集されたコ
ークスサンプルのための結果とが示される。全チャコー
ルサンプルは羽口で収集されたコークスサンプルよりも
反応性が強く、コークスよりも先に燃焼し、従って炉上
に漏出して鉱物／コークス床を詰まらせる原因とはなら
ないことが示された。高温酸素を使用することに伴い発
生するチャコールは反応性が最も強く、高温酸素を使用
する本発明をして、高炉運転に際しての酸素を使用する
従来方法に勝る更なる利益を提供するものである。以
上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内
で種々の変更をなし得ることを理解されたい。

【００２３】

【発明の効果】噴射空気を燃料及び酸素と共に提供し、
次いで高炉に送り込むことにより、高炉の運転を改良さ
せることのできる方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の方法を実施し得るシステムの簡
略化した概略図である。

【図２】図２は燃料及び酸素を高炉の上流側で噴射空気
流れに提供するための好ましいシステムの詳細断面図で
ある。

【図３】図３は本発明の方法を実施して得られる結果
を、従来プラクティスを使用して得られる結果と比較す
る目的のためのグラフである。

【図４】図４は本発明の方法を実施して得られる結果
を、従来プラクティスを使用して得られる結果と比較す
る目的のための別のグラフである。

【図５】図５は本発明の方法を実施して得られる結果
を、従来プラクティスを使用して得られる結果と比較す
る目的のための更に別のグラフである。

【符号の説明】

３ 噴射空気流れ ４ 燃料 ５ 酸素ジェット ６ 噴射パイプ ８ 燃料ランス ９ 高温酸素ランス １０ 高温の噴射流れ １１ 高炉 １２ 廃棄流れ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 噴射流れを高炉内に提供するための方法
   であって、 （ａ）噴射空気速度及び噴射空気温度を有する噴射空気
   流れを確立すること、 （ｂ）該噴射空気流れ中に燃料を送り込むこと、 （ｃ）噴射空気温度を超える温度及び噴射空気速度を超
   える速度を有する酸素のジェットを噴射空気流れに注入
   すること、 （ｄ）噴射空気流れの内部で燃料と酸素とを燃焼させ、
   高温の噴射流れを創出すること、 （ｅ）該高温の噴射流れを高炉内に送り込むこと、を含
   んでなる噴射流れを高炉内に提供するための方法。
2. 【請求項２】 燃料が石炭を含んでいる請求項１の方
   法。
3. 【請求項３】 噴射空気流れに注入される酸素の温度が
   １２００乃至１６５０℃の範囲内の温度である請求項１
   の方法。
4. 【請求項４】 噴射空気流れに注入される酸素の速度が
   音速の少なくとも半分である請求項１の方法。
5. 【請求項５】 噴射空気流れに注入される酸素の速度が
   噴射空気速度の少なくとも１．５倍である請求項３の方
   法。
6. 【請求項６】 酸素のジェットが、噴射空気流れに注入
   される際に初期直径を有し、酸素のジェットが、該初期
   直径の５乃至５０倍の範囲内の距離である、燃料が噴射
   空気流れに送り込まれる位置から噴射空気流れに注入さ
   れる請求項１の方法。