CN105074014A - 高炉操作方法及喷枪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够提高从风口鼓入的粉煤的燃烧性、提高冷却性能并降低还原材料单位消耗的高炉操作方法及喷枪。本发明包括一种高炉操作方法和所述喷***构，该方法是从风口通过喷枪将固体还原材料、易燃性气体还原材料及助燃性气体鼓入高炉内的高炉操作方法，该方法包括：使用由独立的3个鼓入管并列捆扎且收纳在喷枪外管内成为一体的并列型喷枪，从各鼓入管同时鼓入气体还原材料和助燃性气体中的任1种或2种以及固体还原材料，并且在从该并列型喷枪鼓入时，形成使固体还原材料用鼓入管和气体还原材料用鼓入管位于助燃性气体鼓入管的上方的状态来进行鼓入。

Description

高炉操作方法及喷枪
技术领域
本发明涉及高炉操作方法及实施该方法时使用的喷枪，所述高炉操作方法包括：通过从高炉风口向炉内鼓入粉煤等固体还原材料，并同时鼓入LNG(液化天然气，LiquefiedNaturalGas)等易燃性气体还原材料、助燃性气体，使风口处的燃烧温度升高，从而在谋求生产率的提高及还原材料单位消耗的降低方面是有效的。
背景技术
近年来，由二氧化碳排放量增加导致的全球变暖成为了问题，而抑制CO2的排放在钢铁行业已成为了重要课题。针对该课题，在最近的高炉操作中，低还原材料比(低RAR：ReductionAgentRatio的简称，每制造1吨生铁时，从风口鼓入的还原材料和从炉顶装入的焦炭的总量)操作得到了推进。高炉主要使用焦炭及粉煤作为还原材料，为了实现低还原材料比、进而实现二氧化碳排放量的抑制，将焦炭等置换为废塑料、LNG、重油等氢含有率高的还原材料的方法是有效的。
下述专利文献1中公开的技术是使用多个喷枪(lance)，通过将固体还原材料、气体还原材料及助燃性气体同时鼓入来促进气体还原材料的燃烧场中固体还原材料的升温的方法。结果是该现有技术可以提高固体还原材料的燃烧率，抑制未燃粉、焦炭粉的产生而改善了通气，降低还原材料比。另外，下述专利文献2公开了如下的技术：使喷枪为套管型，例如，从内管鼓入固体还原材料，从内管与中管的间隙鼓入助燃性气体，并且从中管与外管之间鼓入气体还原材料。另外，下述专利文献3中提出了在喷枪主管的周围并列地设置多个小径管的方案。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-162038号公报
专利文献2：日本特开2003-286511号公报
专利文献3：日本特开平11-12613号公报
发明内容
发明要解决的课题
上述专利文献1中公开记载的高炉操作方法与从风口仅鼓入粉煤的方法相比，在风口处的燃烧温度的提高、还原材料单位消耗的减少方面是有效的，但仅调整鼓入位置该效果是不充分的。另外，在上述专利文献2中记载的套管型喷枪的情况下，为了确保喷枪的冷却性能，需要增大外侧的鼓入速度。这样一来，必须使内管与外管之间的间隙变得极其狭窄，存在受到设备的限制而无法流通给定的气体量，不能获得提高燃烧性的效果的隐患。另外，如果要兼顾气体量和流速，则需要使喷枪径变得极大，而这会引发来自鼓风管(送风管)的送风量的降低而使出铁量降低，或者伴随喷枪***口的直径增大而导致周边耐火物的破损风险增加。另外，对于上述专利文献3中记载的喷枪而言，由于在其中配置有多个小径的鼓入管，因此，不仅由冷却能力降低引起的鼓入管堵塞的风险增高，而且存在喷枪的加工成本升高的问题。而且，由于在中途使多重管结构变为并列管结构，因此存在压力损失和直径增大的问题。
本发明的目的在于提供一种能够克服现有技术中具有的上述问题的高炉操作方法、以及进行该操作时使用的喷枪。
特别是，本发明的目的还在于提供一种高炉操作方法及喷枪，所述高炉操作方法不使喷枪径极端变大，能够兼顾提高冷却性能和提高燃烧性，并且能够降低还原材料单位消耗。
解决课题的方法
用于解决上述课题而开发的本发明的高炉操作方法是通过喷枪从风口将固体还原材料、气体还原材料及助燃性气体鼓入高炉内的高炉操作方法，该方法包括：使用由独立的3个鼓入管并列捆扎且收纳在喷枪外管内成为一体的并列型喷枪，从各鼓入管同时鼓入气体还原材料和助燃性气体中的任1种或2种以及固体还原材料，并且在从该并列型喷枪鼓入时，形成使固体还原材料用鼓入管和气体还原材料用鼓入管位于助燃性气体鼓入管的上方的状态来进行鼓入。
另外，本发明还提供一种喷枪，所述喷枪用于从风口向高炉内鼓入固体还原材料、气体还原材料及助燃性气体，所述喷枪在将气体还原材料和助燃性气体中的任1种或2种与固体还原材料同时鼓入时，具有由独立的3个鼓入管并列捆扎且收纳在喷枪外管内成为一体的结构，而且对各鼓入管的位置关系进行设置，使得满足固体还原材料用鼓入管和气体还原材料用鼓入管位于助燃性气体鼓入管的上方的关系。
本发明的更优选方案为：
(1)所述并列型喷枪按照通过固体还原材料用鼓入管的中心和喷枪外管的外切点的面与***到鼓风管中的喷枪的半径方向的竖直面所成的角度为±90°以内的方式来配置固体还原材料用鼓入管、气体还原材料用鼓入管及助燃性气体用鼓入管；
(2)所述各鼓入管是内径为6mm以上且30mm以下的管。
发明的效果
根据本发明，在将固体还原材料、易燃性气体还原材料、助燃性气体同时鼓入高炉内的情况下，通过使用将各个鼓入路径并列捆扎且与喷枪外管成为一体的并列型喷枪，能够扩大鼓入管的通路而不会扩大喷枪的外径。因此，根据本发明，能够实现兼顾冷却性能的提高和燃烧性的提高，其结果是能够实现在高炉操作时降低还原材料单位消耗。
附图说明
图1是示出高炉的一个例子的纵剖面图。
图2是从喷枪仅鼓入粉煤时的燃烧状态的说明图。
图3是粉煤的燃烧机理的说明图。
图4是将粉煤与LNG及氧一起鼓入时的燃烧机理的说明图。
图5是示出喷枪(外管)内的鼓入管的配置方式的说明图。
图6是示出燃烧实验时的压力损失的图表。
图7是示出燃烧实验时的喷枪表面温度的图表。
图8是关于喷枪的外径的说明图。
图9是燃烧实验装置的示意图。
图10是关于喷枪的各鼓入管配置的说明图。
图11是示出燃烧实验时的燃烧温度的变化的图表说明图。
符号说明
1高炉
2送风管
3风口
4喷枪
5回旋区
6粉煤(固体还原材料)
7焦炭
8焦化物
9LNG(易燃性还原材料)
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的高炉操作方法及进行该操作时使用的喷枪进行说明。图1是采用本发明的高炉操作方法的高炉的示意图。如图所示，高炉1在其炉圆周方向设有多个风口。该风口3与用于吹送热风的鼓风管(送风管)2连接，在该鼓风管2中设有朝向其管轴方向的中心且主要从上方斜向***的喷枪4。在风口3的鼓入热风的前方(炉内)形成了被称为回旋区5的燃烧空间，该回旋区5也是焦炭堆积层，主要在该燃烧空间中进行铁矿石的还原，生成铁水。
图2示出了从喷枪4仅鼓入粉煤6时的燃烧状态。从喷枪4通过风口3而被鼓入到回旋区5内的粉煤6及堆积于此的从炉顶装入的块状焦炭7在这里燃烧掉挥发成分和固定碳。未燃尽而残留的通常被称为焦化物的碳与灰分的聚集体作为未燃焦化物8从回旋区5分散到炉内。从所述风口3鼓入炉内的热风吹送方向前方的热风速度约为200m/秒，从喷枪4的顶端到回旋区5内的O2存在区域约为0.3～0.5m，因此实际上需要在1/1000秒的水平上改善粉煤粒子的升温、以及改善与作为助燃性气体的氧(O2)的接触效率(分散性)。
图3是仅将作为固体还原材料的粉煤(PC：PulverizedCoal)6从喷枪4鼓入鼓风管2内时的燃烧机理的说明图。对于从风口3鼓入回旋区5内的粉煤6而言，在来自回旋区5内的火焰的辐射传热的作用下，粒子被加热，进而在辐射传热、传导传热的作用下使粒子温度急剧上升，从升温300℃以上的时刻开始引发热分解，挥发成分着火而形成火焰，燃烧温度(粒子温度)达到1400～1700℃。放出了挥发成分后，成为上述焦化物8。该焦化物8主要是固定碳，因此，在发生燃烧反应的同时也发生被称为碳溶解反应的反应。
图4是从喷枪4向鼓风管2内鼓入粉煤6、并且同时鼓入作为易燃性气体还原材料优选例的LNG和作为助燃性气体优选例的氧(未图示)的情况下的燃烧机理的说明图。该图是单纯将粉煤、LNG和氧同时鼓入的例子。需要说明的是，图中的点划线对照地示出了仅鼓入图3所示的粉煤的情况下的燃烧(粒子)温度。可以认为，在这样同时鼓入粉煤、LNG和氧的情况下，伴随气体的扩散，粉煤发生分散，由于LNG与氧的接触而使LNG发生燃烧，在该燃烧热的作用下粉煤迅速地被加热、升温。因此，在该情况下，在接近喷枪的位置进行粉煤的燃烧。但是，该燃烧开始的位置离喷枪越近，喷枪消耗的机会越高，因此需要提高喷枪的耐久性，即，需要提高冷却性能。
图5a是以往使用的通常的套管型喷枪。图5b示出了本发明提出的并列型喷枪。上述套管型喷枪是使用了不锈钢管的内管I、中管M、外管O构成的同心3重管，各自的尺寸如图所示。而且，内管I与中管M的间隙为1.15mm，中管M与外管O的间隙为0.65mm。
相比之下，本发明的上述并列型喷枪中，固体还原材料用鼓入管21、气体还原材料用鼓入管22、以及氧等助燃性气体用鼓入管23并列排列，并且将它们捆扎起来收纳在喷枪外管内成为一体，各鼓入管的尺寸如图所示。
图6示出了套管型喷枪与并列型喷枪的压力损失的比较测定结果。由该图可知，在相同通路的比较中，并列型喷枪比套管型喷枪的压力损失少。可以认为，这是由于在并列型喷枪的情况下，通过使鼓入空间(鼓入管内容积)相对扩大而降低了通气阻力。
图7示出了各喷枪(套管型、并列型)的冷却能力的比较图。从该图可知，与套管型喷枪相比，在相同的压力损失时并列型喷枪的冷却能力较高。可以认为这是由于，管内通气阻力减小，因此相同的压力损失时能够流通的流量增大。
图8是着眼于喷枪外径的图。图8a是非水冷型喷枪的外径，图8b是水冷型喷枪的外径。由该图可知，与套管型喷枪相比，并列型喷枪的喷枪外径减小。可以认为这是由于，与套管型喷枪相比，在并列型喷枪中能够减小流路、管的厚度、及水冷部的截面积。
为了对并列型喷枪与套管型喷枪的燃烧性加以比较，使用图9所示的燃烧实验装置进行了燃烧实验。在实验炉11内填充有块状焦炭，从观察窗能够观察到回旋区15的内部。在鼓风管(送风管)12中***喷枪14，能够将由燃烧器13产生的热风以给定的送风量送风至实验炉11内。另外，在该鼓风管12中，还能够调节送风的氧富集量。喷枪14可以将粉煤、LNG和氧中的任意一种或两种以上鼓入送风管12内。在实验炉11内产生的废气在被称为分尘器(cyclone)的分离装置16中被分离为废气和灰尘，废气被送往助燃炉等废气处理设备，灰尘被捕获箱17所捕获。
[燃烧实验]
在该燃烧实验中，作为喷枪14，使用了以下的三种喷枪：单管喷枪、三重管喷枪(以下也称为套管型喷枪)、将3根鼓入管并列捆扎成一体的并列型喷枪。而且，以从单管型喷枪仅鼓入粉煤的情况为基础，对于套管型喷枪而言，从内管鼓入粉煤，从内管与中管的间隙鼓入氧，从中管与外管的间隙鼓入LNG。另一方面，对于并列型喷枪而言，虽然捆扎在一起，但是从各自独立的鼓入管鼓入粉煤、LNG和氧。对于使它们的鼓入位置在喷枪轴周围发生变化的情况，测定了由比色温度计测定的燃烧温度、喷枪内压力损失、喷枪表面温度、以及喷枪的外径。众所周知，比色温度计是利用热辐射(电磁波从高温物体向低温物体的辐射)来进行温度测量的辐射温度计，比色温度计着眼于温度升高时波长分布向短波长侧偏移，是通过测量波长分布的温度变化来求出温度的波长分布形状的一种温度计，其中，为了获得波长分布，对两个波长的辐射能量进行测量，由其比率来测定温度。
在该实验中，另外如图10所示，从并列型喷枪的固体还原材料用鼓入管21鼓入粉煤(PC)、从气体还原材料用鼓入管22鼓入LNG、并且从助燃性气体用鼓入管23鼓入氧。这时，在使用将独立的3个鼓入管并列捆扎并收纳于喷枪外管内成为一体的喷枪的情况下，从该并列型喷枪鼓入时，形成固体还原材料用鼓入管和气体还原材料用鼓入管位于助燃性气体鼓入管的上方的状态来进行鼓入。即，鼓入到鼓风管内的微粉、LNG、氧的位置关系为：在鼓风管的靠近管轴中心的下侧鼓入氧，在其上方鼓入粉煤和LNG。
这样的位置关系是指对喷枪进行配置，即对各鼓入管的位置关系进行配置，使得上述并列型喷枪的鼓入状态为使得通过固体还原材料用鼓入管的管轴中心和喷枪的外切点的面与***到鼓风管中的喷枪的半径方向竖直面所成的角度为±90°以内。即，鼓入粉煤的固体还原材料用鼓入管21的外周面中，将相当于喷枪的外径的位置设为点A时，将点A在最上部时设为0°，用比色温度计分别在点A围绕喷枪的轴线向顺时针方向旋转60°的位置、点A旋转180°的位置测定了燃烧温度。需要说明的是，将各喷枪向鼓风管的***长度设为50mm。
作为上述固体还原材料的粉煤的各规格为固定碳(FC：FixedCarbon)71.3％、挥发成分(VM：VolatileMatter)19.6％、灰分(Ash)9.1％，鼓入条件为50.0kg/h(以制铁单位消耗计相当于158kg/t)。另外，LNG的鼓入条件为3.6kg/h(5.0Nm3/h，以制铁单位消耗计相当于11kg/t)。焦炭使用按JISK2151中记载的试验方法的150 15DI83的焦炭。送风条件为送风温度1100℃、流量350Nm3/h、流速80m/s、O2富集+3.7(氧浓度24.7％，相对于空气中氧浓度21％，富集3.7％)。
图11示出了由燃烧实验得到的燃烧温度的结果。由该图可知，在使并列管喷枪的第1管，即粉煤的鼓入管的位置围绕喷枪的轴线成0°、60°、180°变化时，60°、即粉煤和LNG的鼓入管在氧的鼓入管的上方时的燃烧温度最高。可以认为这是由于，通过使LNG的燃烧场与粉煤相邻而使粉煤升温，并且通过使氧位于LNG和粉煤的下方而使氧与LNG和粉煤两者有效地混合，从而促进了燃烧。
如上所述，对于符合本发明的实施方式的高炉操作方法而言，在将粉煤(固体还原材料)6、LNG(易燃性气体还原材料)9、氧(助燃性气体)同时从喷枪4鼓入风口3的情况下，通过使用将各鼓入管并列捆扎并收纳于喷枪外管内成为一体的并列型喷枪，能够不使喷枪的外径过度扩大，并且能够保持较大的鼓入管鼓入面积(间隙)。其结果，根据本发明方法及喷枪，能够实现兼顾冷却性能的提高和燃烧性的提高，并且还能降低还原材料单位消耗。
需要说明的是，在上述实施方式中，使用LNG作为易燃性气体还原材料进行了说明，但也可以使用民用燃气，作为其它的气体还原材料，除了民用燃气、LNG以外，还可以使用丙烷气体、氢、以及在炼铁厂产生的转炉煤气、高炉煤气、焦炉煤气。需要说明的是，也可以与LNG等效地利用页岩气(shalegas)。页岩气是采集自页岩(shale)层的天然气，由于是从并非传统气田的场所生产的，因而被称为非常规天然气资源。

Claims (5)

1.一种高炉操作方法，其是通过喷枪从风口将固体还原材料、气体还原材料及助燃性气体鼓入高炉内的高炉操作方法，该方法包括：使用由独立的3个鼓入管并列捆扎且收纳在喷枪外管内成为一体的并列型喷枪，从各鼓入管同时鼓入气体还原材料和助燃性气体中的任1种或2种以及固体还原材料，并且在从该并列型喷枪鼓入时，形成使固体还原材料用鼓入管和气体还原材料用鼓入管位于助燃性气体鼓入管的上方的状态来进行鼓入。
2.根据权利要求1所述的高炉操作方法，其中，所述并列型喷枪按照通过固体还原材料用鼓入管的中心和喷枪外管的外切点的面与***到鼓风管中的喷枪的半径方向的竖直面所成的角度为±90°以内的方式来配置固体还原材料用鼓入管、气体还原材料用鼓入管及助燃性气体用鼓入管。
3.一种喷枪，其用于从风口向高炉内鼓入固体还原材料、气体还原材料及助燃性气体，所述喷枪在将气体还原材料和助燃性气体中的任1种或2种与固体还原材料同时鼓入时，具有由独立的3个鼓入管并列捆扎且收纳在喷枪外管内成为一体的结构，并且对各鼓入管的位置关系进行设置，使得满足固体还原材料用鼓入管和气体还原材料用鼓入管位于助燃性气体鼓入管的上方的关系。
4.根据权利要求3所述的喷枪，其中，对所述喷枪进行设置，使得所述并列型喷枪的鼓入状态为：通过固体还原材料用鼓入管的中心和喷枪外管的外切点的面与***到鼓风管中的喷枪的半径方向的竖直面所成的角度为±90°以内。
5.根据权利要求3或4所述的喷枪，其中，所述各鼓入管是内径为6mm以上且30mm以下的管。
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