CN114729406A - 高炉的操作方法和高炉附属设备 - Google Patents

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Abstract

一种高炉的操作方法，具有如下工序：通过水的电解而生成氢气的工序，由从高炉排出的副产气体和氢气生成再生甲烷气体的工序，以及从高炉的风口向高炉内吹入送风气体和还原材料的工序，使用氧气作为送风气体，且还原材料的至少一部分使用再生甲烷气体。

Description

高炉的操作方法和高炉附属设备
技术领域
本发明涉及高炉的操作方法和高炉附属设备。
背景技术
近年来，在地球环境问题的背景下，强烈要求减少二氧化碳(CO2)的排出量。因此，在设置于炼钢厂内的高炉的操作中也要求进行低还原材料比(低RAR)操作。
在一般的高炉中，从风口将热风(加热至1200℃左右的空气)作为送风气体吹入到高炉内。由此，热风中的氧与作为还原材料的焦炭或煤粉发生反应，生成一氧化碳(CO)气体、氢(H2)气。利用这些一氧化碳气体、氢气将装入高炉内的铁矿石还原。另外，在该铁矿石的还原反应中产生二氧化碳。
应予说明，送风气体是从风口吹入到高炉内的气体。送风气体在高炉内也发挥使煤粉、焦炭气化的作用。
作为减少这样的高炉操作中的二氧化碳的排出量的技术，提出了将从高炉等排出的副产气体中含有的一氧化碳、二氧化碳重整，生成甲烷、乙醇等烃，将生成的烃作为还原材料再次导入高炉的技术。
例如，在专利文献1中公开了以下的内容：
“一种高炉的操作方法，其特征在于，具有如下工序：从含有CO2和/或CO的混合气体分离回收CO2和/或CO的工序(A)，向该工序(A)中分离回收的CO2和/或CO添加氢，将CO2和/或CO转变成CH4的工序(B)，从经过该工序(B)的气体中分离除去H2O的工序(C)，以及将经过该工序(C)的气体吹入到高炉内的工序(D)。”。
另外，在专利文献2中公开了以下的内容：
“一种高炉操作方法，其特征在于，从使用高炉气体作为燃料的一部分或全部的燃烧炉的排气中分离CO2，将使分离的CO2重整成甲烷而得的还原气体吹入高炉。”。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-225969号公报
专利文献2：日本特开2014-005510号公报
发明内容
但是，在专利文献1和2的技术中，当作为还原材料吹入高炉的甲烷的量达到一定以上时，有时会引起高炉下部的热效率不足、压力损失上升、出渣不良等操作故障。
因此，要求开发出一种能够在稳定的操作下进一步减少来自高炉的二氧化碳的排出量的高炉的操作方法。
本发明是鉴于上述的现状而开发的，其目的在于提供一种能够在稳定的操作下进一步减少来自高炉的二氧化碳的排出量的高炉的操作方法。
另外，本发明的目的在于提供上述的高炉的操作方法中使用的高炉附属设备。
然后，本发明人等为了实现上述的目的反复进行了深入研究。
首先，本发明人等对专利文献1和2的技术中当作为还原材料吹入高炉的甲烷的量达到一定以上时产生操作故障的原因进行了研究。
其结果，获得以下见解。
当作为还原材料吹入高炉的甲烷的量达到一定以上时，在风口的出口附近产生的燃烧区域(回旋区)，吹入还原材料和焦炭燃烧而产生的火焰的温度(以下，也称为风口前端温度)大幅下降。而且，该风口前端温度的降低成为高炉下部的热效率不足、压力损失上升、出渣不良等操作故障的产生原因。
即，从风口向高炉内吹入煤粉作为还原材料时，由于煤粉的主成分为碳，所以在回旋区发生如下反应。
C+0.5O2＝CO+110.5kJ/mol
另一方面，从风口向高炉内吹入甲烷作为还原材料时，在回旋区发生如下反应。
CH4+0.5O2＝CO+2H2+35.7kJ/mol
将该反应时产生的热量按CO和H2的合计量的每1摩尔换算时，为11.9kJ/mol。
为了高炉的稳定操作，需要将风口前端温度控制在2000℃～2400℃的范围。但是，如果将吹入到高炉内的大部分还原材料从煤粉换成甲烷气体，则由于上述的反应热的差，风口前端温度下降。其结果，无法将风口前端温度控制在上述范围内，发生各种操作故障。
因此，本发明人等基于上述的发现进一步反复研究。
其结果发现通过使用氧气而并非热风(加热至1200℃左右的空气)作为送风气体，即便吹入到高炉内的还原材料使用大量的甲烷，也可有效地防止风口前端温度的下降。而且，获得以下见解：通过由从高炉排出的副产气体(以下也称为高炉气体)再生甲烷，将该再生的甲烷(再生甲烷气体)作为还原材料再次吹入到高炉内，能够进一步减少来自高炉的二氧化碳的排出量，同时能够进行稳定的高炉的操作。
另外，获得以下见解：特别是通过使用氧浓度高的氧气作为送风气体，可大幅减少高炉气体中含有的氮的量。其结果，无需从该高炉气体分离一氧化碳、二氧化碳的工序，在设备的小型化方面也是极其有利的。
应予说明，本发明人等认为通过使用氧气作为送风气体，即便吹入到高炉内的还原材料使用大量的甲烷，也能够将风口前端温度控制在2000℃～2400℃的范围的理由如下。
即，使用热风(加热至1200℃左右的空气)作为送风气体时，由于燃烧气体中含有不参与燃烧反应的50体积％左右的氮，所以回旋区的火焰的温度难以成为高温。因此，若将吹入到高炉内的大部分还原材料从煤粉换成甲烷气体，则由于上述的煤粉－氧的反应中的反应热与甲烷气体－氧的反应中的反应热的差，风口前端温度下降，甚至使风口前端温度低于适当温度的下限2000℃。
另一方面，通过使用氧气作为送风气体，能够抑制不参与燃烧反应的氮气的混入，能够将风口前端温度升温至足够的温度。即，与使用热风的情况相比，能够使回旋区的火焰的温度成为高温，因此即便从风口吹入大量的甲烷作为还原材料时，也能够将风口前端温度控制在适当范围2000℃～2400℃的范围。
另外，由高炉气体再生甲烷需要使高炉气体中含有的一氧化碳、二氧化碳与氢反应。
但是，要将由在日本作为主流的5000m3级的大型高炉产生的高炉气体全部再生为甲烷，需要60000m3/h左右的氢。但是，从炼钢厂外部供应这样的大量的氢是极其困难的。
关于这点，本发明人等也反复进行了研究，发现在炼钢厂内设置水的电解装置，在该水的电解装置中通过水的电解来产生氢是极其有利的。
即，通过水的电解来产生氢，水的电解中使用的水可以使用在生成再生甲烷气体的工序中附带生成的水(以下也称为副产水)。另外，用作送风气体的氧气可以使用在水的电解中附带生成的氧气(以下也称为副产氧气)。因此，通过将水电解产生氢与上述的高炉的操作条件(使用氧气作为送风气体且使用再生甲烷气体作为还原材料的条件)组合，能够构建极高效率的资源循环***。另外，操作灵活性也提高。
本发明是基于上述的发现并进一步研究而完成的。
即，本发明的主旨构成如下。
1.一种高炉的操作方法，具有以下工序：
通过水的电解而生成氢气的工序，
使用从上述高炉排出的副产气体和上述氢气生成再生甲烷气体的工序，以及
从上述高炉的风口向上述高炉内吹入送风气体和还原材料的工序；
使用氧气作为上述送风气体，且上述还原材料的至少一部分使用上述再生甲烷气体。
2.根据上述1所述的高炉的操作方法，其中，上述水的电解所使用的水的至少一部分使用在生成上述再生甲烷气体的工序中生成的副产水。
3.根据上述1或2所述的高炉的操作方法，其中，上述氧气的至少一部分使用在上述水的电解中生成的副产氧气。
4.根据上述1或2所述的高炉的操作方法，其中，将在上述水的电解中生成的氢气全部用于生成上述再生甲烷气体的工序，并且，
将在上述水的电解中生成的副产氧气全部用作上述氧气。
5.根据上述1～4中任一项所述的高炉的操作方法，其中，上述还原材料中的循环碳原子的基本单位为60kg/t以上。
其中，循环碳原子的基本单位是指在制造1t铁水时作为还原材料吹入到高炉内的再生甲烷气体的碳换算质量，由下式求出。
[循环碳原子的基本单位(kg/t)]＝[作为还原材料吹入到高炉内的再生甲烷气体中的甲烷的质量(kg)]×(12/16)÷[铁水制造量(t)]
6.根据上述1～5中任一项所述的高炉的操作方法，其中，上述氧气的氧浓度为80体积％以上。
7.根据上述1～6中任一项所述的高炉的操作方法，其中，由上述副产气体的一部分生成上述再生甲烷气体，将上述副产气体的剩余部分供给到炼钢厂内。
8.根据上述1～7中任一项所述的高炉的操作方法，其中，将上述再生甲烷气体的剩余部分供给到炼钢厂内。
9.根据上述1～8中任一项所述的高炉的操作方法，其中，上述水的电解中使用的电力的至少一部分为来自可再生能源的电力。
10.根据上述1～9中任一项所述的高炉的操作方法，其中，上述水的电解中使用的电力的至少一部分为由炼钢厂内的发电设备发电的电力。
11.根据上述10所述的高炉的操作方法，其中，上述炼钢厂内的发电设备为上述高炉的炉顶压力发电设备和/或以上述副产气体为燃料的发电设备。
12.一种高炉附属设备，是在上述1～11中任一项所述的高炉的操作方法中使用的高炉附属设备，具备以下装置：
水的电解装置，通过上述水的电解而生成上述氢气，
甲烷气体生成装置，由上述副产气体生成上述再生甲烷气体，以及
气体吹入装置，具有将上述再生甲烷气体导入上述高炉的风口的甲烷气体供给部、和将上述氧气导入上述高炉的风口的氧气供给部。
根据本发明，能够在稳定的操作下进一步减少来自高炉的二氧化碳(CO2)的排出量。另外，能够构建高效率的资源循环***，操作灵活性提高。此外，在氢基础设施不完善的地域也可应用，在这点上也有利。而且，通过使用由高炉气体生成的甲烷气体，还能够减少焦炭和煤粉、即属于有限的化石燃料的煤的使用量。
另外，由于从高炉排出的副产气体中的氮的量大幅减少，所以无需从该副产气体中分离一氧化碳、二氧化碳的工序，换言之，不需要巨大的PSA(变压吸附法)分离装置等，在设备的小型化方面也极其有利。
此外，通过使水的电解中使用的电力为来自可再生能源的电力或由炼钢厂内的发电设备发电的电力，能够进一步减少二氧化碳(CO2)的排出量或者提高甲烷气体的生成所需的辅助材料的自给率。
附图说明
图1是示意性地表示基于本发明的一实施方式的高炉的操作方法中使用的高炉和高炉附属设备的一个例子的图。
图2是示意性地表示基于本发明的一实施方式的高炉的操作方法中使用的气体吹入装置的例子的图。
图3是示意性地表示比较例中使用的高炉和高炉附属设备的图。
图4是示意性地表示比较例中使用的高炉和高炉附属设备的图。
图5是示意性地表示比较例中使用的高炉和高炉附属设备的图。
图6是针对热风送风条件和氧气送风条件表示循环碳原子的基本单位与风口前端温度的关系的一个例子的图。
具体实施方式
基于以下的实施方式对本发明进行说明。
本发明的一实施方式是一种高炉的操作方法，具有以下工序：
通过水的电解而产生氢气的工序，
使用从上述高炉排出的副产气体和上述氢气生成再生甲烷气体的工序，
从上述高炉的风口向上述高炉内吹入送风气体和还原材料的工序；
使用氧气作为上述送风气体，且上述还原材料的至少一部分使用上述再生甲烷气体。
首先，以将基于本发明的一实施方式的高炉的操作方法用于图1示意性地表示的高炉和高炉附属设备的情况为例进行说明。
图中，符号1为高炉，2为风口，3为甲烷气体生成装置，3－1为水的电解装置，4为气体吹入装置，5为第1脱水装置，6为第2脱水装置，7为燃烧器，7－1为高炉的炉顶压力发电设备，7－2为以高炉气体为燃料的发电设备。
应予说明，这里所说的高炉也包括竖式还原炉等。
[高炉的操作方法]
在基于本发明的一实施方式的高炉的操作方法中，从高炉的炉顶部向高炉内装入作为原料的烧结矿、块状矿石、球团矿(以下也称为矿石原料)、焦炭等(未图示)。另外，从设置于高炉下部的风口2向高炉1内吹入送风气体和还原材料。应予说明，为了与焦炭区分，将从风口2吹入高炉1内的还原材料也称为吹入还原材料。
然后，利用由送风气体与还原材料的反应产生的一氧化碳气体、氢气，还原装入高炉1内的矿石原料。在该矿石原料的还原反应中，产生二氧化碳。然后，该二氧化碳同未与矿石原料反应的一氧化碳、氢等一起作为副产气体从高炉的炉顶部排出。高炉的炉顶部为2.5个大气压左右的高压条件。因此，从该高炉的炉顶部排出的副产气体(高炉气体)恢复常压时的膨胀冷却，使水蒸气冷凝。然后，在第1脱水装置5中除去该冷凝水。
接下来，将高炉气体的至少一部分导入甲烷气体生成装置3。然后，在甲烷气体生成装置3中，使高炉气体中含有的一氧化碳和二氧化碳与氢气反应而生成甲烷(CH4)气体。这里，将使高炉气体反应而得的甲烷气体称为再生甲烷气体。
应予说明，再生甲烷气体的生成中使用的氢气可以不是氢浓度为100体积％的气体，但为了使再生甲烷气体的甲烷浓度为高浓度，优选使用氢浓度高的气体，具体而言，优选使用氢浓度为80体积％以上的氢气。氢浓度更优选为90体积％以上，进一步优选为95体积％以上。氢浓度可以为100体积％。作为氢以外的其余气体，例如，可举出CO、CO2、H2S、CH4、N2等。
而且，生成再生甲烷气体时使用的氢气的至少一部分使用在水的电解装置3－1中通过水的电解而生成的氢气。
由此，水的电解中使用的水可以使用在生成再生甲烷气体的工序中附带生成的副产水。另外，可以将水的电解中附带生成的副产氧气用于作为送风气体使用的氧气。因此，通过将水电解产生氢与基于本发明的一实施方式的高炉的操作条件(使用氧气作为送风气体且使用再生甲烷气体作为还原材料的条件)组合，能够构建极高效率的资源循环***。另外，操作灵活性也提高。
另外，如上所述，水的电解中使用的水优选使用副产水。应予说明，也可以根据副产水的生成量，从炼钢厂内适当地供给水的电解中使用的水。
此外，优选副产氧气全部用作作为送风气体使用的氧气。另外，可以根据副产氧气的供给量将副产氧气的一部分供给到其它用氧设备(例如，转炉、电炉、燃烧机器(加热炉燃烧器、烧结点火燃烧器)等)。
而且，优选生成再生甲烷气体时使用的氢气(以下也称为再生甲烷气体生成用氢气)全部使用水的电解中产生的氢气。应予说明，也可以根据水的电解中产生的氢气的生成量，从外部或炼钢厂内的其它设备适当地供给再生甲烷气体生成用氢气。
作为炼钢厂内的氢气的供给源，例如，可举出焦炭炉气体(从焦炭炉排出的副产气体)等。从焦炭炉气体供给氢气时，可举出通过PSA(物理吸附)等分离回收焦炭炉气体中的氢的方法；对焦炭炉气体中的烃进行重整(部分氧化)，通过PSA(物理吸附)等从该重整气体中分离回收氢的方法等。
另外，作为从外部供给的氢气，例如，可举出通过水蒸气重整等将天然气等烃重整而制造的氢气，使液化氢气化而得的氢气、将有机氢化物脱氢而制造的氢气等。
应予说明，作为水的电解中使用的电力，没有特别限定，优选使用来自可再生能源的电力、由炼钢厂内的发电设备发电的电力。
使用来自可再生能源的电力时，能够进一步减少二氧化碳的排出量。这里，可再生能源是指自然界恒定存在的能源，例如，可举出太阳光、风力、水力、地热、生物质等。
另外，使用由炼钢厂内的发电设备发电的电力时，能够构建更高效率的资源循环***。这里，作为炼钢厂内的发电设备，例如，可举出高炉的炉顶压力发电设备7－1、以高炉气体为燃料(热源)的发电设备7－2。应予说明，以高炉气体为燃料(热源)的发电设备7－2中，可以根据高炉的操作状态，使用焦炭炉气体、转炉气体(从转炉排出的副产气体)、城市燃气作为燃料。
接下来，通过将再生甲烷气体冷却至常温，使再生甲烷气体中的水蒸气(副产水)冷凝。然后，在第2脱水装置6中除去冷凝的副产水。应予说明，如上所述，优选将该副产水供给到水的电解装置3－1而在水的电解中使用。
接下来，将再生甲烷气体导入气体吹入装置4。气体吹入装置4介由第2脱水装置6与甲烷气体生成装置3连接。另外，气体吹入装置4具有将作为吹入还原材料的再生甲烷气体导入高炉1的风口2的甲烷气体供给部和将作为送风气体的氧气导入高炉的风口的氧气供给部。
例如，如图2中的(a)所示，气体吹入装置4由具有中心管4－1和外管4－3的同轴多重管构成。然后，向作为甲烷气体供给部(路)的中心管内路导入甲烷气体(导入再生甲烷气体和适当导入后述的外部甲烷气体)，向作为氧气供给部(路)的中心管4－1与外管4－3之间的环状管路导入氧气。
另外，也可以一并使用其它吹入还原材料，例如，煤粉、废塑料、氢气、一氧化碳气体等还原气体。应予说明，其它吹入还原材料向高炉内的吹入量合计优选为150kg/t以下。这里，“kg/t”单位是指制造1t铁水时向高炉内吹入的其它吹入还原材料的量。
使用其它吹入还原材料时，其它吹入还原材料也可以一并导入甲烷气体供给部。另外，使用煤粉、废塑料作为其它吹入还原材料时，优选与甲烷气体供给部分开设置使煤粉、废塑料流通的另一还原材料供给部(路)。此时，例如，如图2中的(b)所示，气体吹入装置3由除中心管4－1和外管4－3以外还在中心管4－1与外管4－3之间设置有内管4－2的同轴多重管构成。然后，从作为另一还原材料供给部的中心管内路导入煤粉、废塑料等其它吹入还原材料。另外，从作为甲烷气体供给部的中心管4－1与外管4－3之间的环状管路导入甲烷气体，从作为氧气供给部的内管4－2与外管4－3之间的环状管路导入氧。
应予说明，送风气体使用常温的氧气时，着火性差，因此优选使构成气体吹入装置4的氧气供给部的外管的排出部为多孔结构，从而促进氧气与吹入还原材料的混合。
另外，从风口吹入到高炉内的甲烷气体(以下也称为吹入甲烷气体)无需全部为再生甲烷气体，可以根据炼钢厂的操作，使用从其它生产线供给的甲烷气体(也称为外部甲烷气体)(未图示)。此时，可以在气体吹入装置4的甲烷气体供给部连接外部甲烷气体的供给生产线，在上述的另一还原材料供给部连接外部甲烷气体的供给生产线。另外，可以在甲烷气体生成装置3与气体吹入装置4之间(优选第2脱水装置6与气体吹入装置4之间)的再生甲烷气体流通路连接外部甲烷气体的供给生产线。
应予说明，作为外部甲烷气体，例如，可举出来自化石燃料的甲烷气体等。
接下来，如图2中的(a)和(b)所示，从气体吹入装置4导入的吹入甲烷气体等吹入还原材料与氧气在风口2内混合，该混合气体从风口2吹入高炉1内后，立即迅速着火并迅速燃烧。然后，在风口2的前端的高炉内形成吹入甲烷气体等吹入还原材料、焦炭与氧气反应的区域、即回旋区8。
应予说明，如果送风气体中的氧浓度增加，则炉内气体量变少，有时高炉上部的装入物的升温不充分。在这种情况下，如图1所示，优选利用燃烧器7使第1脱水装置5的下游的高炉气体的一部分以成为800℃～1000℃左右的方式部分燃烧后，进行向高炉炉身部吹入的预热气体吹入。
而且，在本发明的一实施方式所涉及的高炉的操作方法中，如上所述，重要的是使用氧气而并非热风(加热至1200℃左右的空气)作为送风气体。
即，使用热风(加热至1200℃左右的空气)作为送风气体时，由于燃烧气体中含有不参与燃烧反应的50体积％左右的氮，所以回旋区的火焰的温度难以成为高温。因此，如果将吹入到高炉内的大部分还原材料从煤粉换成甲烷气体，则由于上述的煤粉－氧的反应中的反应热与甲烷气体－氧的反应中的反应热的差，风口前端温度下降，风口前端温度低于合适温度的下限2000℃。其结果，导致高炉下部的热效率不足、压力损失上升、出渣不良等操作故障。另外，由于高炉气体中含有大量氮，所以在由高炉气体生成甲烷气体的工序的前一工序中需要将氮与一氧化碳和二氧化碳进行分离的工序。
另一方面，通过使用氧气作为送风气体，能够抑制不参与燃烧反应的氮气的混入，因此能够使风口前端温度上升至充分的温度。即，与使用热风的情况相比，能够使回旋区的火焰的温度为高温。因此，即便从风口吹入大量的甲烷作为还原材料，也能够将风口前端温度控制在适当范围2000℃～2400℃的范围。
因此，在本发明的一实施方式所涉及的高炉的操作方法中，重要的是使用氧气作为送风气体。
另外，如上所述，在水的电解中优选使用附带生成的副产氧气作为用作送风气体的氧气。由此，能够构建高效率的资源循环***。应予说明，除副产氧气以外的氧气例如可以利用深冷式空气分离装置制造。
应予说明，图6是针对使用热风(加热至1200℃左右的空气)作为送风气体的条件(以下也称为热风送风条件)和使用氧气(氧浓度：100％)作为送风气体的条件(以下也称为氧气送风条件)，表示后述的还原材料中的循环碳原子的基本单位(以下也简称为循环碳原子的基本单位)与风口前端温度的关系的一个例子。两个条件下，吹入还原材料均全部使用再生甲烷气体(甲烷浓度：99.5％)。
如图6所示，可知在热风送风条件下，若循环碳原子的基本单位为52kg/t以上(即，再生甲烷的吹入量为97Nm3/t以上)，则风口前端温度低于适当温度的下限2000℃。这样，在通常使用的热风送风条件下，如果使循环碳原子的基本单位为55kg/t以上，尤其为60kg/t以上，则导致风口前端温度的下降，无法进行稳定的操作。
另一方面，可知在氧气送风条件下，即便使循环碳原子的基本单位为55kg/t以上，进一步为60kg/t以上，也能够确保风口前端温度为2000℃以上。
应予说明，在图6的氧气送风条件下，循环碳原子的基本单位为55kg/t～80kg/t的范围时，风口前端温度超过了合适温度的上限2400℃。这是由于吹入还原材料全部使用了再生甲烷，吹入还原材料的一部分使用外部甲烷气体时，即便循环碳原子的基本单位为55kg/t～80kg/t的范围，也能够将风口前端温度控制在2000℃～2400℃的范围。另外，即便吹入还原材料全部使用再生甲烷的情况下，通过调整氧气的氧浓度，也能够将风口前端温度控制在2000℃～2400℃的范围。
另外，氧气中的氧浓度优选为80体积％以上。即，如果氧气中的氧浓度低，则向高炉内导入的气体量增大，进而高炉的压力损失增大，可能使生产率下降。另外，在反复进行上述气体循环期间，再生甲烷气体中的甲烷气体的浓度相对下降。因此，氧气中的氧浓度优选为80体积％以上。氧浓度更优选为90体积％以上，进一步优选为95体积％以上。特别是如果氧浓度为90体积％以上，则即便超过通常的高炉的操作期间进行操作的情况下，也能够将再生甲烷气体中的甲烷气体浓度保持为高浓度(90体积％左右)，而无需供给外部甲烷气体等，因此非常有利。氧浓度可以为100体积％。
应予说明，作为氧气中的除氧以外的其余气体，例如，可以含有氮、二氧化碳、氩等。
另外，优选再生甲烷气体、或者由再生甲烷气体和外部甲烷气体构成的吹入甲烷气体的甲烷浓度为80体积％以上。
即，如果吹入甲烷气体中的甲烷浓度低，则向高炉内吹入的气体量增大，进而高炉的压力损失增大，可能使生产率下降。另外，在反复进行上述气体循环期间，再生甲烷气体中的甲烷浓度相对下降。因此，吹入甲烷气体的甲烷浓度优选为80体积％以上。吹入甲烷气体的甲烷浓度更优选为90体积％以上，进一步优选为95体积％以上。吹入甲烷气体的甲烷浓度可以为100体积％。
从同样的理由出发，再生甲烷气体和外部甲烷气体的甲烷浓度也各自优选为80体积％以上。再生甲烷气体和外部甲烷气体的甲烷浓度各自更优选为90体积％以上，进一步优选为95体积％以上。再生甲烷气体和外部甲烷气体的甲烷浓度可以各自为100体积％、。
应予说明，作为吹入甲烷气体、再生甲烷气体和外部甲烷气体中的除甲烷以外的其余气体，例如，可以含有一氧化碳、二氧化碳、氢和烃、以及氮等杂质气体。
另外，再生甲烷气体的甲烷浓度下降时，例如，通过使吹入甲烷气体中的再生甲烷气体的比例下降，另一方面使甲烷浓度高的外部甲烷气体的比例增加，能够使吹入甲烷气体中的甲烷浓度保持较高。
另外，在本发明的一实施方式所涉及的高炉的操作方法中，优选使还原材料中的循环碳原子的基本单位为55kg/t以上，进一步优选为60kg/t以上。
这里，循环碳原子的基本单位是指制造1t铁水时作为还原材料吹入到高炉内的再生甲烷气体的碳换算质量，由下式求出。
[循环碳原子的基本单位(kg/t)]＝[作为还原材料吹入到高炉内的再生甲烷气体中的甲烷的质量(kg)]×(12/16)÷[铁水制造量(t)]
为了高炉的稳定操作，通常需要将风口前端温度控制在2000℃～2400℃的范围。因此，使用热风(加热至1200℃左右的空气)作为送风气体时，从将风口前端温度保持在上述的范围的观点考虑，只能向高炉内吹入以碳换算质量计最多为52kg/t左右的甲烷气体。即，即便使吹入到高炉内的甲烷气体全部为再生甲烷气体，还原材料中的循环碳原子的基本单位也最多为52kg/t左右。
另一方面，在本发明的一实施方式所涉及的高炉的操作方法中，即便大幅增加甲烷气体的吹入量，也能够将风口前端温度控制在2000℃～2400℃的范围。因此，能够使还原材料中的循环碳原子的基本单位增加至55kg/t以上，进一步增加至60kg/t以上。由此，来自高炉气体中含有的一氧化碳、二氧化碳的再生甲烷气体的使用量增加，来自高炉的二氧化碳的排出量进一步减少。还原材料中的循环碳原子的基本单位更优选为80kg/t以上，进一步优选为90kg/t以上。还原材料中的循环碳原子的基本单位的上限没有特别限定，优选为110kg/t以下。
应予说明，还原材料中的循环碳原子的基本单位可以通过调整吹入还原材料中的再生甲烷气体向风口的吹入量来控制。
特别是通过使吹入甲烷气体中的再生甲烷气体的比例为80体积％以上，优选为90体积％以上，可得到好的二氧化碳的排出量减少效果。
另外，可以由高炉气体的一部分生成再生甲烷气体，将高炉气体的剩余部分供给到炼钢厂内。此外，再生甲烷气体中存在剩余部分时，可以将该剩余部分供给到炼钢厂内。
应予说明，氧气和还原材料的吹入量、其它的操作条件没有特别限定，可以根据高炉的容量等适当地决定。
[高炉附属设备]
基于本发明的一实施方式的高炉附属设备是在上述的高炉的操作方法中使用的高炉附属设备，具备以下的装置：
水的电解装置，通过上述水的电解而产生上述氢气，
甲烷气体生成装置，由上述副产气体生成上述再生甲烷气体，以及
气体吹入装置，具有将上述再生甲烷气体导入上述高炉的风口的甲烷气体供给部、和将上述氧气导入上述高炉的风口的氧气供给部。
这里，作为水的电解装置，例如，可举出固体高分子膜(PEM：Polymer ElectrolyteMembrane)水电解设备等。
另外，甲烷气体生成装置例如具有高炉气体导入部、氢气导入部和反应部。在反应部中，从高炉气体导入部导入的高炉气体与从氢气导入部导入的氢气反应，生成再生甲烷气体。应予说明，在甲烷气体的生成反应中会产生发热，因此反应部优选具备冷却机构。
如上所述，例如，如图2中的(a)所示，气体吹入装置由具有中心管4－1和外管4－3的同轴多重管构成。而且，向作为甲烷气体供给部(路)的中心管内路导入甲烷气体(导入再生甲烷气体和导入合适的后述的外部甲烷气体)，向作为氧气供给部(路)的中心管4－1与外管4－3之间的环状管路导入氧气。
另外，可以一并使用其它吹入还原材料，例如煤粉、废塑料、氢气、一氧化碳气体等还原气体。
使用其它吹入还原材料时，其它吹入还原材料也可以一并导入甲烷气体供给部。另外，使用煤粉、废塑料作为其它吹入还原材料时，优选与甲烷气体供给部分开设置使煤粉、废塑料流通的另一还原材料供给部(路)。此时，例如，如图2(b)所示，气体吹入装置由除中心管4－1和外管4－3以外在中心管4－1与外管4－3之间还设置有内管4－2的同轴多重管构成。而且，从作为另一还原材料供给部的中心管内路导入煤粉、废塑料等其它吹入还原材料。另外，从作为甲烷气体供给部的中心管4－1与外管4－3之间的环状管路导入甲烷气体，从作为氧气供给部的内管4－2与外管4－3之间的环状管路导入氧。
实施例
使用图1和图3～5中示意性地表示的高炉和高炉附属设备，在表1所示的条件下进行高炉操作，对操作中的风口前端温度和来自高炉的二氧化碳的排出量进行评价。将评价结果一并记入表1中。
应予说明，图3～5中，符号9为热风炉，10为气体分离装置，11为热风炉排气用脱水装置。
这里，发明例1中，使用图1中示意性地表示的高炉和高炉附属设备，由高炉气体的一部分生成再生甲烷气体，将高炉气体的剩余部分供给到炼钢厂内。另外，吹入还原材料全部使用再生甲烷气体，将再生甲烷气体的剩余部分供给到炼钢厂内。另外，甲烷气体生成工序中使用的氢气全部量通过水的电解生成。使用该水的电解时生成的副产氧气作为高炉的送风气体。另外，将产生的副产氧气的剩余部分供给到炼钢厂的其它设备(转炉、电炉等)。并且，水的电解中利用的水的一部分使用在甲烷气体生成工序中生成的副产水。水的电解所需的电力的一部分使用由炼钢厂内的发电设备发电的电力，其余的电力使用来自可再生能源的电力和外部电力。
发明例2中，使用图1中示意性地表示的高炉和高炉附属设备，由高炉气体的一部分生成再生甲烷气体，将高炉气体的剩余部分供给到炼钢厂内。另外，吹入还原材料全部使用再生甲烷气体，以不产生再生甲烷气体的剩余部分的方式调整再生甲烷气体的生成量。另外，与实施例1同样地，在甲烷气体生成工序中使用的氢气全部通过水的电解生成。使用该水的电解时生成的副产氧气作为高炉的送风气体。另外，将产生的副产氧气的剩余部分供给到炼钢厂的其它设备(转炉、电炉等)。
发明例3中，使用图1中示意性地表示的高炉和高炉附属设备，由全部高炉气体生成再生甲烷气体。另外，吹入还原材料全部使用再生甲烷气体，将再生甲烷气体的剩余部分供给到炼钢厂内。另外，与实施例1同样地，在甲烷气体生成工序中使用的氢气全部通过水的电解生成。使用该水的电解时生成的副产氧气作为高炉的送风气体。另外，将产生的副产氧气的剩余部分供给到炼钢厂的其它设备(转炉、电炉等)。
发明例3－1和3－2中，使用图1中示意性地表示的高炉和高炉附属设备，由全部高炉气体生成再生甲烷气体。另外，吹入还原材料全部使用再生甲烷气体，将再生甲烷气体的剩余部分供给到炼钢厂内。另外，甲烷气体生成工序中使用的氢气的一半通过水的电解生成。剩余的一半使用来自外部的氢气。使用水的电解时生成的副产氧气作为高炉的送风气体。另外，将产生的副产氧气的剩余部分供给到炼钢厂的其它设备(转炉、电炉等)。而且，发明例3－1和3－2中，水的电解所需的电力的一部分使用由炼钢厂内的发电设备发电的电力，使其比例变化。
发明例3－3中，使用图1中示意性地表示的高炉和高炉附属设备，由全部高炉气体生成再生甲烷气体。另外，吹入还原材料全部使用再生甲烷气体，将再生甲烷气体的剩余部分供给到炼钢厂内。另外，甲烷气体生成工序中使用的氢气的一半通过水的电解生成。剩余的一半使用来自外部的氢气。使用该水的电解时生成的副产氧气作为高炉的送风气体。另外，将产生的副产氧气的剩余部分供给到炼钢厂的其它设备(转炉、电炉等)。并且，水的电解所需的电力全部使用来自可再生能源的电力和外部电力。
发明例4和5中，使用图1中示意性地表示的高炉和高炉附属设备，由高炉气体的一部分生成再生甲烷气体，将高炉气体的剩余部分供给到炼钢厂内。另外，吹入还原材料除再生甲烷气体以外，一部分使用来自化石燃料的外部甲烷气体。另外，高炉的送风气体的一部分使用在水的电解时生成的副产氧气，剩余部分使用由炼钢厂的深冷分离装置等制造的氧气。
另一方面，比较例1中，使用图3中示意性地表示的高炉和高炉附属设备。即，比较例1是使用热风(加热至1200℃左右的空气(氧浓度：21～25体积％左右))作为送风气体、使用煤粉作为吹入还原材料的一般的高炉操作方法。应予说明，没有进行由高炉气体生成再生甲烷气体的步骤。
比较例2中，使用图4中示意性地表示的高炉和高炉附属设备。这里，使用热风(加热至1200℃左右的空气(氧浓度：21～25体积％左右))作为送风气体，使用再生甲烷气体作为还原材料。另外，在再生甲烷气体的生成前，从高炉气体中分离一氧化碳和二氧化碳，由分离出的一氧化碳和二氧化碳生成再生甲烷气体。
比较例3中，使用图5中示意性地表示的高炉和高炉附属设备。这里，使用热风(加热至1200℃左右的空气(氧浓度：21～25体积％左右))作为送风气体，使用再生甲烷气体作为吹入还原材料。另外，在再生甲烷气体的生成中，没有使用高炉气体，而使用了热风炉的副产气体(以下，也称为热风炉排气)。然后，从热风炉排气中分离二氧化碳，由分离出的二氧化碳生成再生甲烷气体。
比较例4中，使用图1中示意性地表示的高炉和高炉附属设备，由高炉气体的一部分生成再生甲烷气体，将高炉气体的剩余部分供给到炼钢厂内。另外，吹入还原材料除再生甲烷气体以外，一部分还使用了来自化石燃料的外部甲烷气体。
比较例5中，与比较例2同样地使用图4中示意性地表示的高炉和高炉附属设备。应予说明，比较例5除增加了吹入甲烷气体比以外，为与比较例2相同的条件。
应予说明，从比较的观点考虑，尽可能统一高炉规格。即，使炉身效率为94％，使热损失为150000kcal/t。
应予说明，“kcal/t”单位是指制造1t铁水时产生的热损失量(kcal)。同样地，焦炭比等中使用的“kg/t”单位是指制造1t铁水时使用的焦炭的量(kg)等。另外，吹入甲烷比等中使用的“Nm3/t”单位也是指制造1t铁水时吹入到高炉内的吹入甲烷气体中的甲烷量(Nm3)等(应予说明，吹入甲烷比为再生甲烷比和外部甲烷比之和，但再生甲烷气体包括除甲烷以外的微量的其余气体。另外，表1中表示的再生甲烷比和外部甲烷比的值均为不包括甲烷以外的微量的其余气体的甲烷量，是对小数点后第1位四舍五入而得的值。因此，有时表1中的吹入甲烷比与再生甲烷比和外部甲烷比之和不一致。另外，表1中的其它数值也存在同样的情况。)。
另外，表1中的“高炉InputC”是指制造1t铁水时使用的来自外部的(具体而言，焦炭、煤粉和外部甲烷气体中含有的)碳原子的质量(kg)。
表1
Figure BDA0003648088200000171
表1(续)
Figure BDA0003648088200000181
表1(续)
Figure BDA0003648088200000191
如表1所示，在发明例中，均可通过将风口前端温度控制在2000℃～2400℃的范围而进行稳定的高炉操作，并且能够减少从高炉向外部排出的二氧化碳量。特别是发明例1～3－3中，能够大幅减少从高炉向外部排出的二氧化碳量。
另一方面，比较例1～4中，得不到充分的二氧化碳量的减少效果。另外，比较例5中，由于吹入甲烷气体量的增加导致风口前端温度低于2000℃，因此无法进行稳定的高炉操作。
符号说明
1：高炉
2：风口
3：甲烷气体生成装置
3－1：水的电解装置
4：气体吹入装置
4－1：中心管
4－2：内管
4－3：外管
5：第1脱水装置
6：第2脱水装置
7：燃烧器
7－1：高炉的炉顶压力发电设备
7－2：以高炉气体为燃料的发电设备
8：回旋区
9：热风炉
10：气体分离装置
11：热风炉排气用脱水装置

Claims (12)

1.一种高炉的操作方法，具有如下工序：
通过水的电解而生成氢气的工序，
使用从所述高炉排出的副产气体和所述氢气生成再生甲烷气体的工序，以及
从所述高炉的风口向所述高炉内吹入送风气体和还原材料的工序；
使用氧气作为所述送风气体，且所述还原材料的至少一部分使用所述再生甲烷气体。
2.根据权利要求1所述的高炉的操作方法，其中，所述水的电解所使用的水的至少一部分使用在生成所述再生甲烷气体的工序中生成的副产水。
3.根据权利要求1或2所述的高炉的操作方法，其中，所述氧气的至少一部分使用在所述水的电解中生成的副产氧气。
4.根据权利要求1或2所述的高炉的操作方法，其中，将在所述水的电解中生成的氢气全部用于生成所述再生甲烷气体的工序，并且，
将在所述水的电解中生成的副产氧气全部用作所述氧气。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的高炉的操作方法，其中，所述还原材料中的循环碳原子的基本单位为60kg/t以上，
其中，循环碳原子的基本单位是指制造1t铁水时作为还原材料吹入到高炉内的再生甲烷气体的碳换算质量，由下式求出，
[循环碳原子的基本单位(kg/t)]＝[作为还原材料吹入到高炉内的再生甲烷气体中的甲烷的质量(kg)]×(12/16)÷[铁水制造量(t)]。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的高炉的操作方法，其中，所述氧气的氧浓度为80体积％以上。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的高炉的操作方法，其中，由所述副产气体的一部分生成所述再生甲烷气体，将所述副产气体的剩余部分供给到炼钢厂内。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的高炉的操作方法，其中，将所述再生甲烷气体的剩余部分供给到炼钢厂内。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的高炉的操作方法，其中，所述水的电解中使用的电力的至少一部分为来自可再生能源的电力。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的高炉的操作方法，其中，所述水的电解中使用的电力的至少一部分为由炼钢厂内的发电设备发电的电力。
11.根据权利要求10所述的高炉的操作方法，其中，所述炼钢厂内的发电设备为所述高炉的炉顶压力发电设备和/或以所述副产气体为燃料的发电设备。
12.一种高炉附属设备，是权利要求1～11中任一项所述的高炉的操作方法中使用的高炉附属设备，具备如下装置：
水的电解装置，通过所述水的电解而生成所述氢气，
甲烷气体生成装置，由所述副产气体生成所述再生甲烷气体，以及
气体吹入装置，具有将所述再生甲烷气体导入所述高炉的风口的甲烷气体供给部、和将所述氧气导入所述高炉的风口的氧气供给部。
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