JP2011168884A

JP2011168884A - 高炉操業方法

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Publication number: JP2011168884A
Application number: JP2011007952A
Authority: JP
Inventors: Daiki Fujiwara; 大樹藤原; Akinori Murao; 明紀村尾; Shiro Watakabe; 史朗渡壁; Yasuyuki Morikawa; 泰之森川
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2031-01-18
Also published as: JP5824813B2

Abstract

【課題】より一層の燃焼温度の向上及び還元材原単位の低減を可能とする高炉操業方法を提供する。
【解決手段】ＬＮＧ９と微粉炭６とを混合し、その混合燃料を単管ランス４から羽口３に吹込むことにより、ＬＮＧ９が先に燃焼することで微粉炭６が爆発的に拡散し、同時にＬＮＧ９の燃焼熱で微粉炭６の温度が大幅に上昇し、これにより微粉炭６の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上し、もって還元材原単位を低減することができる。また、単管ランス４から吹込まれるガスの合計流量を１３５Ｎｍ³／ｈ以上とし、単管ランス４の吹込みガスの出口流速を２０ｍ／ｓｅｃ以上とすれば、単管ランス４の熱による変形を防止することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、高炉羽口から微粉炭などの固体燃料と、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）などの易燃性燃料とを吹込んで、燃焼温度を上昇させることにより生産性の向上及び還元材原単位の低減を図る高炉の操業方法に関するものである。

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：Reduction Agent Ratioの略で、銑鉄１ｔ製造当たりの、羽口からの吹込み還元材と炉頂から装入されるコークスの合計量）操業が強力に推進されている。高炉は、主にコークス及び羽口から吹込む微粉炭を還元材として使用しており、低還元材比、ひいては炭酸ガス排出抑制を達成するためにはコークスなどを廃プラ、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。下記特許文献１では、羽口から燃料を吹込むランスを二重管とし、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込み、二重管ランスの外側管から微粉炭を吹込むことが提案されている。また、下記特許文献２では、同じく羽口から燃料を吹込むランスを二重管とし、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、二重管ランスの外側管からＬＮＧを吹込むことが提案されている。

特開第３１７６６８０号公報特公平１−２９８４７号公報

前記特許文献１に記載される高炉操業方法も、前記特許文献２に記載される高炉操業方法も、従来の微粉炭だけを羽口から吹込む方法に比べれば、燃焼温度の向上や還元材原単位の低減に効果があるものの、更なる改良の余地がある。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、より一層の燃焼温度の向上及び還元材原単位の低減を可能とする高炉操業方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の高炉操業方法は、易燃性燃料と固体燃料とを混合し、その混合燃料を単管ランスから羽口に吹込むことを特徴とするものである。
また、前記単管ランスから吹込まれるガスの合計流量を１３５Ｎｍ³／ｈ以上とし、当該単管ランスの出口流速を２０ｍ／ｓｅｃ以上としたことを特徴とするものである。
また、前記固体燃料が微粉炭であることを特徴とするものである。
また、前記易燃性燃料がＬＮＧであることを特徴とするものである。

而して、本発明の高炉操業方法によれば、易燃性燃料が先に燃焼することで固体燃料が爆発的に拡散し、同時に易燃性燃料の燃焼熱で固体燃料の温度が大幅に上昇し、これにより固体燃料の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上し、もって還元材原単位を低減することができる。
また、単管ランスから吹込まれるガスの合計流量を１３５Ｎｍ³／ｈ以上とし、当該単管ランスの出口流速を２０ｍ／ｓｅｃ以上とすることにより、昇温による単管ランスの変形を防止することができる。

本発明の高炉操業方法が適用された高炉の一実施形態を示す縦断面図である。図１のランスから微粉炭だけを吹込んだときの燃焼状態の説明図である。図２の微粉炭の燃焼メカニズムの説明図である。微粉炭とＬＮＧを吹込んだときの燃焼メカニズムの説明図である。燃焼実験装置の説明図である。燃焼実験結果の説明図である。燃焼実験結果の燃焼温度の説明図である。ランスから吹込まれるガスの流量とランス表面温度の関係を示す説明図である。

次に、本発明の高炉操業方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の高炉操業方法が適用された高炉の全体図である。図に示すように、高炉１の羽口３には、熱風を送風するための送風管２が接続され、この送風管２を貫通してランス４が設置されている。羽口３の熱風送風方向先方のコークス堆積層には、レースウエイ５と呼ばれる燃焼空間が存在し、主として、この燃焼空間で還元材の燃焼、ガス化が行われる。

図２には、ランス４から微粉炭６だけを吹込んだときの燃焼状態を示す。ランス４から羽口３を通過し、レースウエイ５内に吹込まれた微粉炭６は、コークス７と共に、その揮発分と固定炭素が燃焼し、燃焼しきれずに残った、一般にチャーと呼ばれる炭素と灰分の集合体は、レースウエイから未燃チャー８として排出される。羽口３の熱風送風方向先方における熱風速度は約２００ｍ／ｓｅｃであり、ランス４の先端からレースウエイ５内におけるＯ₂の存在領域は約０．３〜０．５ｍとされているので、実質的に１／１０００秒のレベルで微粉炭粒子の昇温及びＯ₂との接触効率（分散性）の改善が必要となる。

図３は、ランス４から送風管２内に微粉炭（図ではＰＣ：Pulverized Coal）６のみを吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。羽口３からレースウエイ５内に吹込まれた微粉炭６は、レースウエイ５内の火炎からの輻射伝熱によって粒子が加熱し、更に輻射伝熱、伝導伝熱によって粒子が急激に温度上昇し、３００℃以上昇温した時点から熱分解が開始し、揮発分に着火して火炎が形成され、燃焼温度は１４００〜１７００℃に達する。揮発分が放出してしまうと、前述したチャー８となる。チャー８は、主に固定炭素であるので、燃焼反応と共に、炭素溶解反応と呼ばれる反応も生じる。

図４は、ランス４から送風管２内に微粉炭６と共にＬＮＧ９を吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。微粉炭６とＬＮＧ９の吹込み方法は、単純に平行に吹込んだ場合を示している。なお、図中の二点鎖線は、図３に示した微粉炭のみを吹込んだ場合の燃焼温度を参考に示している。このように微粉炭とＬＮＧを同時に吹込む場合、気体ガスのＬＮＧが優先的に燃焼し、この燃焼熱によって微粉炭が急速に加熱、昇温すると考えられ、これによりランスに近い位置で燃焼温度が更に上昇する。

このような知見に基づき、図５に示す燃焼実験装置を用いて燃焼実験を行った。実験炉１１内にはコークスが充填されており、覗き窓からレースウエイ１５の内部を観察することができる。送風管１２にはランス１４が差し込まれ、燃焼バーナ１３で生じた熱風を実験炉１１内に所定の送風量で送風することができる。また、この送風管１２では、送風の酸素富化量を調整することも可能である。ランス１４は、微粉炭及びＬＮＧの何れか一方又は双方を送風管１２内に吹込むことができる。実験炉１１内で生じた排ガスは、サイクロンと呼ばれる分離装置１６で排ガスとダストに分離され、排ガスは助燃炉などの排ガス処理設備に送給され、ダストは捕集箱１７に捕集される。

燃焼実験には、ランス１４に単管ランスと二重管ランスの二種類を用い、単管ランスを用いて微粉炭のみを吹込んだ場合、二重管ランスを用い、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、二重管ランスの外側管からＬＮＧを吹込んだ場合、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込み、二重管ランスの外側管から微粉炭を吹込んだ場合の夫々について覗き窓から２色温度計による燃焼温度、燃焼位置、未燃チャーの燃焼状況、拡散性を測定した。２色温度計は、周知のように、熱放射（高温物体から低温物体への電磁波の移動）を利用して温度計測を行う放射温度計であり、温度が高くなると波長分布が短波長側にずれていくことに着目して、波長分布の温度の変化を計測することで温度を求める波長分布形の一つであり、中でも波長分布を捉えるため、２つの波長における放射エネルギーを計測し、比率から温度を測定するものである。未燃チャーの燃焼状況は、実験炉１１の送風管１２内のランス１４先から１００ｍｍ、１５０ｍｍの位置にてプローブで未燃チャーを回収して、樹脂埋め、研磨後、画像解析によってチャー内空隙率を測定し、判定した。

微粉炭の諸元は、固定炭素（ＦＣ：Fixed Carbon）７７．８％、揮発分（ＶＭ：Volatile Matter）１３．６％、灰分（Ａｓｈ）８．６％で、吹込み条件は２９．８ｋｇ／ｈ（製銑原単位で１００ｋｇ／ｔ相当）とした。また、ＬＮＧの吹込み条件は、３．６ｋｇ／ｈ（５Ｎｍ³／ｈ、製銑原単位で１０ｋｇ／ｔ相当）とした。送風条件は、送風温度１２００℃、流量３００Ｎｍ³／ｈ、流速７０ｍ／ｓ、Ｏ₂富化＋５．５（酸素濃度２６．５％、空気中酸素濃度２１％に対し、５．５％の富化）とした。実験結果の評価は、単管から微粉炭のみを吹込んだ場合の燃焼温度、燃焼位置、未燃チャーの燃焼状況、拡散性（主として微粉炭）を基準とし、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管からＬＮＧを吹込んだ場合、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込み、外側管から微粉炭を吹込んだ場合の夫々を評価した。評価は、微粉炭のみの場合と同程度の場合を△、少し改善された場合を○、大幅に改善された場合を◎で表した。

図６には、前述した燃焼実験の結果を示す（上３段に相当）。同図から明らかなように、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管からＬＮＧを吹込む場合には、燃焼位置については改善が見られたが、その他の項目については変化が見られない。これは、微粉炭の外側のＬＮＧが先にＯ₂と接触して速やかに燃焼し、その燃焼熱で微粉炭の加熱速度が上昇したものの、ＬＮＧの燃焼にＯ₂が消費されてしまい、微粉炭の燃焼に必要なＯ₂が減少して、十分な燃焼温度上昇に至らず、未燃チャーの燃焼状況も改善されなかったと考えられる。一方、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込み、外側管から微粉炭を吹込む場合には、燃焼温度、未燃チャーの燃焼状況について改善が見られ、拡散性については大幅な改善が見られたものの、燃焼位置については変化が見られない。これは、外側の微粉炭領域を通じた内側のＬＮＧまでのＯ₂の拡散に時間を要したものの、内側の易燃性のＬＮＧが燃焼すれば、爆発的な拡散が生じ、ＬＮＧの燃焼熱で微粉炭が加熱されて燃焼温度も上昇し、未燃チャーの燃焼状況も改善されたものと考えられる。

本願発明者は、この実験結果を踏まえて、ランスに単管ランスを用い、ＬＮＧと微粉炭を予め混合し、この混合燃料を単管ランスから吹込むことに着目した。即ち、ＬＮＧ及び微粉炭が、互いにまとまって存在していることが未改善の原因ではないか、ＬＮＧが分散していれば広い範囲でＬＮＧが先に燃焼し、それに伴って微粉炭が広範囲に拡散すると共にＬＮＧの燃焼熱で加熱され、燃焼位置がランスに近づくと共に、燃焼温度が上昇し、未燃チャーの燃焼状況も改善されるのではないか、という推察である。そこで、前述の燃焼実験装置を用い、ＬＮＧ及び微粉炭を予め混合し、その混合燃料を単管ランスから吹込んで実験を行った。

実験結果を図６の最下段に示す。また、全ての実験の燃焼位置と燃焼温度の関係を図７に示す。これらの図より明らかなように、ＬＮＧ及び微粉炭を予め混合し、その混合燃料を単管ランスから吹込んだ場合には、燃焼温度、燃焼位置、未燃チャーの燃焼状況の３つの点で大幅な改善が見られた。拡散性については、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込むと共に、二重管ランスの外側管から微粉炭を吹込む方法が遙かに改善されたため、混合燃料吹込みは少し改善されたという評価に止まったが、実質的には十分な拡散効果が見られ、総合評価も大幅に改善された。

ところで、前述のような燃焼温度の上昇に伴って、単管ランスは高温に晒され易くなる。単管ランスは、例えばステンレス鋼鋼管で構成される。勿論、単管ランスには所謂ウォータージャケットと呼ばれる水冷が施されているが、ランス先端までは覆うことができない。特に、この水冷の及ばない単管ランスの先端部が熱で変形することが分かった。単管ランスが変形する、つまり曲がると所望部位に微粉炭やＬＮＧを吹込むことができないし、消耗品であるランスの交換作業に支障がある。また、微粉炭の流れが変化して羽口に当たることも考えられ、そのような場合には羽口が損傷する恐れがある。

水冷できない単管ランスを冷却するためには、内部に送給されるガスで放熱するしかない。内部に流れるガスに放熱して単管ランス自体を冷却する場合、ガスの流量がランス温度に影響を与えると考えられる。そこで、本発明者等は、単管ランスから吹込まれるガスの流量を種々に変更してランス表面の温度を測定した。測定結果を図８に示す。
単管ランスには、１５Ａスケジュール９０と呼ばれる鋼管、及び２０Ａスケジュール９０と呼ばれる鋼管の２種類を用い、微粉炭を搬送するためのキャリアガス（Ｎ₂）とＬＮＧの合計流量を種々に変更してランス表面の温度を測定した。ちなみに、「１５Ａ」、「２０Ａ」はＪＩＳＧ３４５９に規定する鋼管外径の称呼寸法であり、１５Ａは外径２１．７ｍｍ、２０Ａは外径２７．２ｍｍである。また、「スケジュール」はＪＩＳＧ３４５９に規定する鋼管の肉厚の称呼寸法であり、１５Ａスケジュール９０は肉厚３．７０ｍｍ、２０Ａスケジュール９０は肉厚３．９０ｍｍである。単管ランスに鋼管を用いる場合、上記の２種類程度の外径を有する鋼管とすることが現実的である。また、２５Ａスケジュール９０（外径：３４ｍｍ、肉厚：４．５０ｍｍ）を用いることも可能である。なお、ステンレス鋼鋼管の他、普通鋼も利用できる。その場合の鋼管の外径はＪＩＳＧ３４５２に規定され、肉厚はＪＩＳＧ３４５４に規定される。

同図に二点鎖線で示すように、サイズの異なる鋼管毎に、単管ランスから吹込まれるガスの合計流量の増加に伴ってランス表面の温度が反比例的に低下している。これは、鋼管のサイズが違うと、同じガス合計流量でもガスの流速が異なるためである。鋼管を単管ランスに使用する場合、単管ランスの表面温度が８８０℃を上回るとクリープ変形が起こり、単管ランスが曲がってしまう。従って、単管ランスに１５Ａスケジュール９０、或いは２０Ａスケジュール９０の鋼管を用い、単管ランスの表面温度が８８０℃以下である場合の吹込みガスの合計流量は１３５Ｎｍ³／ｈ以上であり、それらの鋼管を用いた場合の単管ランスの出口流速は２０ｍ／ｓｅｃ以上となる。そして、単管ランスの吹込みガスの合計流量を１３５Ｎｍ³／ｈ以上とし、単管ランスの出口流速が２０ｍ／ｓｅｃ以上である場合には単管ランスに変形や曲がりは生じない。

このように、本実施形態の高炉操業方法では、ＬＮＧ（易燃性燃料）９と微粉炭（固体燃料）６とを混合し、その混合燃料を単管ランス４から羽口３に吹込むことにより、ＬＮＧ（易燃性燃料）９が先に燃焼することで微粉炭（固体燃料）６が爆発的に拡散し、同時にＬＮＧ（易燃性燃料）９の燃焼熱で微粉炭（固体燃料）６の温度が大幅に上昇し、これにより微粉炭（固体燃料）６の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上し、もって還元材原単位を低減することができる。

また、単管ランス４から吹込まれるガスの合計流量を１３５Ｎｍ³／ｈ以上とし、当該単管ランス４の出口流速を２０ｍ／ｓｅｃ以上とすることにより、昇温による単管ランスの変形を防止することができる。

１は高炉、２は送風管、３は羽口、４はランス、５はレースウエイ、６は微粉炭（固体燃料）、７はコークス、８はチャー、９はＬＮＧ（易燃性燃料）

Claims

易燃性燃料と固体燃料とを混合し、その混合燃料を単管ランスから羽口に吹込むことを特徴とする高炉操業方法。
前記単管ランスから吹込まれるガスの合計流量を１３５Ｎｍ³／ｈ以上とし、当該単管ランスの出口流速を２０ｍ／ｓｅｃ以上としたことを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
前記固体燃料が微粉炭であることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
前記易燃性燃料がＬＮＧであることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。