JP5549056B2

JP5549056B2 - 高炉操業方法

Info

Publication number: JP5549056B2
Application number: JP2008067829A
Authority: JP
Inventors: 佑介柏原; 稔浅沼
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2028-03-17
Also published as: JP2009221548A

Description

本発明は、羽口から水素含有率の高い還元材を吹き込む高炉の操業方法に関する。

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。高炉は主にコークスおよび微粉炭を還元材として使用しており、炭酸ガス排出抑制を達成するためにはコークス等を水素含有率の高い還元材で置換する方策が有効である。水素含有率の高い還元材を高炉で用いる技術として、高炉にＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）を羽口より吹き込み製銑工程で排出される炭酸ガスを低減させる低炭酸ガス排出製鉄法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、水素による酸化鉄の還元反応は比較的大きな吸熱反応であることが知られている。ＣＯガスおよびＨ₂ガスによる酸化鉄還元時の反応および反応熱を以下の（ａ）〜（ｆ）に示す（例えば、非特許文献１参照。）。
３Ｆｅ₂Ｏ₃＋ＣＯ→２Ｆｅ₃Ｏ₄＋ＣＯ₂（反応熱：＋３８ｋｃａｌ／ｋｇＦｅ）・・・（ａ）
Ｆｅ₃Ｏ₄＋ＣＯ→３ＦｅＯ＋ＣＯ₂（反応熱：−３８ｋｃａｌ／ｋｇＦｅ）・・・（ｂ）
ＦｅＯ＋ＣＯ→Ｆｅ＋ＣＯ₂（反応熱：＋６０ｋｃａｌ／ｋｇＦｅ）・・・（ｃ）
３Ｆｅ₂Ｏ₃＋Ｈ₂→２Ｆｅ₃Ｏ₄＋Ｈ₂Ｏ（反応熱：＋５ｋｃａｌ／ｋｇＦｅ）・・・（ｄ）
Ｆｅ₃Ｏ₄＋Ｈ₂→3ＦｅＯ＋Ｈ₂Ｏ（反応熱：−９６ｋｃａｌ／ｋｇＦｅ）・・・（ｅ）
ＦｅＯ＋Ｈ₂→Ｆｅ＋Ｈ₂Ｏ（反応熱：−１１６ｋｃａｌ／ｋｇＦｅ）・・・（ｆ）
上記の反応式は、羽口からの投入水素量が増え、酸化鉄の還元のうち、水素還元の比率が大きくなっていくとシャフト部の温度が低下し、鉄鉱石、焼結鉱等装入物の低温領域での滞留時間が拡大する可能性があることを示唆している。シャフト部の低温領域の拡大は焼結鉱の還元粉化領域の拡大を意味し、還元による鉄鉱石等の粉化により、通気性および装入物降下挙動を悪化させる。また、炉頂ガスの温度も低下させることが指摘されている。炉頂ガス温度は高炉操業上１１０℃以上であることが望ましく、炉頂ガスの温度が低下すると、高炉ガス中の水分が凝結し、設備腐食をきたす等の問題が発生する。

そもそも、従来の通常の高炉操業では、低温領域はほとんど形成されることはなかった。高微粉炭比操業によって高炉へのインプット水素量が増加するケースはあるが、一般的に微粉炭のコークス置換率は通常で０．９程度であり、吹き込み原単位１５０ｋｇ／ｔを超えるような高微粉炭比の場合、置換率はさらに低下する。ゆえに、微粉炭比を増やす操業の場合はインプット水素量の増加とともに還元材比が増加し、炉上部温度はむしろ上昇するのが一般的であり、低温領域はほとんど形成されないためである。一方で、特許文献１に記載の方法のように、ＬＮＧを羽口より吹き込む方法では、天然ガスのコークス置換率は１．１〜１．２程度であり（例えば、非特許文献２参照。）、天然ガス吹き込み量増加に従って還元材比は低下するため、低温領域の形成が実際に問題となる。
特開平３−２４０９０６号公報「製銑ハンドブック」地人書館１９７９年、ｐ．７８「材料とプロセス１８」日本鉄鋼協会２００５年、ｐ．９８４

上記のように、天然ガス等の、水素含有率の高い還元材を使用して、かつ還元材比低下を指向する操業を行なう場合、高炉にインプットされる水素増によりシャフト部の温度が低下するという問題がある。

従って本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、水素含有率の高い還元材を吹き込む高炉操業を行なう際に、シャフト部の低温領域の拡大を防止し、炉頂ガス温度の低下を防止可能な高炉操業方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）羽口から、Ｈを１０質量％以上含有する還元材を吹き込む高炉操業において、高炉の炉壁を冷却媒体を流通させるステーブを用いて冷却する際に、シャフト部に設置されたステーブに流通させる冷却媒体の流速を１．０ｍ／ｓ未満とすることを特徴とする高炉操業方法。
（２）前記還元材吹き込み由来の水素分として３ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上吹き込むことを特徴とする（１）に記載の高炉操業方法。
（３）前記ステーブ中の冷却媒体を流通させる流路の断面積を大きくすることで前記冷却媒体の流速を１．０ｍ／ｓ未満とすることを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉操業方法。

本発明によれば、水素含有率の高い還元材を吹き込む高炉操業において、シャフト部における炉壁部の温度低下を抑制することができる。また、炉頂ガスの温度低下を防止できる。

従来、高炉では炉壁保護の観点から、冷却装置としてステーブを用い、炉壁の内側に多数のステーブを円周方向及び高さ方向に配設させて冷却水を通水している。高還元材比操業（高微粉炭比操業）においては熱流比（降下する装入物の熱容量／炉内ガスの熱容量）が低下傾向となるため、より冷却を重視した操業を行なってきた。しかしながら、水素含有率の高い還元材を吹き込む場合には、上記のようにシャフト部の低温領域の拡大を助長することが懸念される。

そこで本発明者らは、シャフト部のステーブに用いられている冷却媒体の流速を低下させることを考えた。従来よりも低流速で冷却媒体を流通させることで、シャフト部の炉壁の冷却が緩和され、炉内の温度低下を防止して、シャフト部の低温化が軽減されるとともに、炉体からの放散熱が軽減されることを見出して本発明に至った。これにより水素含有率の高い還元材を吹き込んだ際に問題となる低温領域の拡大と炉頂温度の低下が防止され、結果として、高炉操業を安定化し、還元材比の低減に寄与することができる。

シャフト部のステーブに用いられている冷却媒体の流速は、通常は１．０〜１．５ｍ／ｓ程度であるが、本発明においては１．０ｍ／ｓ未満とする。０．６ｍ／ｓ未満とすることが、より好ましい。しかしながら、冷却媒体の流速を下げすぎると、冷却媒体がステーブを流通する際に炉体から授受する熱により昇温しすぎる場合（例えば、入り側から出側の温度上昇で４０℃）があるため、０．３ｍ／ｓ以上とすることが望ましい。

シャフト部のステーブの全てについて流通させる冷却媒体の流速を１．０ｍ／ｓ未満とすることも可能であるが、シャフト部の上部のみに本発明を用いることが好ましい。シャフト部の上部としては、高炉の高さ方向で羽口よりシャフト部上端までのうちの、少なくとも上部１／３に用いる冷却媒体の流速を低下させることが好ましい。上記の場合において、上部２／３を最大限として使用することが更に好ましい。水素含有率の高い還元材を吹き込む高炉操業においては、シャフト上部の温度低下が顕著となるため、特に低温化が問題となる領域に本発明を適用することが効果的である。

尚、本発明において水素含有率の高い還元材とは、水素（Ｈ）を質量割合として１０％以上含有する、高炉内において鉄の還元材として作用する物質であり、具体的にはＬＮＧ（Ｈ含有率約２３質量％）、ＣＯＧ（コークスを製造する際に発生するコークス炉ガス：Ｈ含有率約２５質量％）、ＢＦＧ（高炉ガス：Ｈ含有率０．２〜０．５質量％）の水素含有量を１０質量％以上に高めたＢＦＧ改質ガス、都市ガス（Ｈ含有率約２３質量％）、液化石油ガス（ＬＰＧ：Ｈ含有率約２３質量％）、メタンを改質して得られた合成ガス（ＣＯとＨ₂ガスとからなる還元性ガス、Ｈ含有率約１７質量％）等を用いることができる。ＢＦＧ改質ガスとは、ＢＦＧを水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ₂＋Ｈ₂）により改質し、水素含有率が１０質量％以上になるようにＣＯ₂、Ｎ₂を分離したガスである。ただし、水（Ｈ₂Ｏ）の状態の水素は、本発明で用いる水素含有率の高い還元剤から除くものとする。水素ガスを用いることも可能であるが、純粋な水素ガスは、工業的に入手が困難である。入手が容易なガスとして、たとえば液化天然ガスや、都市ガスが望ましく、これらはメタンを主成分（概ねメタン８０体積％以上）とすることが多い。従って、メタンを約４４質量％含むＣＯＧを改質して水素含有量を高めたＣＯＧ改質ガス（Ｈ含有率約６５ｖｏｌ％）は特に水素含有率が高いので、ＣＯＧ改質ガスを羽口から吹き込む高炉操業に本発明を用いることは特に効果的である。上記水素含有率の高い還元材を、水素含有率の高い還元材吹き込み由来の水素分として３ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上、さらに好ましくは７ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上高炉に吹き込むことによって、本発明の効果をより良く発揮することができる。

図１は高炉の冷却水経路を示す概略図であり、これを用いて本発明の一実施形態を説明する。高炉１の炉壁内には多数のステーブ２が配設されている。水素含有率の高い還元材を羽口３より吹き込んだ際に、低温化が懸念される上部ステーブ２ａに流通させる冷却媒体（冷却水）の流速を低下させる。ステーブ２ａを通過した際に、冷却水は炉体より熱を授受し、昇温する。冷却水の温度が上昇した場合には所定温度まで冷却する必要があり、熱交換器４により熱交換させて冷却する。

流通させる冷却媒体の流速を低下させる方法としては、ステーブに供給する冷却媒体の流量を低下させることが好ましいが、ステーブ中の冷却媒体を流通させる流路の断面積を大きくする（ステーブ内の配管の本数を増加させる、ステーブ内の配管径を増大させる等による）ことでも効果的に流速を低下させることができる。

流通させる冷却媒体の流速を低下させる上部ステーブ以外のステーブについては通常通りの流速で炉壁の冷却を行なう。羽口３からは送風を行い、水素含有率の高い還元材の他に、通常の高炉操業で吹き込みを行なう微粉炭等も吹き込むことが好ましい。

本発明を内容積５０００ｍ³の高炉操業に適用した。水素含有率の高い還元材としてＬＮＧ（ＣＨ₄：８８．５ｖｏｌ％、Ｃ₂Ｈ₆：４．６ｖｏｌ％、Ｃ₃Ｈ₈：５．４ｖｏｌ％、その他：１．５ｖｏｌ％）を用い、操業条件を変更して、操業Ｎｏ．１〜４を行なった。各操業の操業条件を表１に示す。操業Ｎｏ．１がベース操業である。

表１には、各操業における炉壁部温度と炉頂ガス温度の測定結果も併せて示す。炉壁部温度とは、各操業について、シャフト部上部において水平ゾンデを用いて温度分布を半径方向の７点で測定した結果のうち、最も炉壁側での測定結果である。

ベース操業Ｎｏ．１に対し、ＬＮＧを吹き込んだ操業Ｎｏ．２では、炉壁部において大幅な温度低下が見られ、炉頂ガス温度が低下した。これにより、シャフト部で通気変動が顕著となり、操業が安定しなかった結果、減産となり出銑比が低下した。

操業Ｎｏ．１、２においては、ステーブを流通させる冷却媒体（冷却水）の流速を１．４ｍ／ｓとして炉壁を冷却していた。これに対し、高炉の羽口〜シャフト部上端までのうちの、上部１／３の部分のシャフト部上部を冷却するステーブについて、ステーブを流通させる冷却媒体の流速を０．９５ｍ／ｓに低下させた操業Ｎｏ．３では、炉壁部温度は操業Ｎｏ．２と比較して上昇し、炉頂ガス温度も上昇している。これにより通気性が安定した。

さらにステーブを流通させる冷却媒体の流速を０．６ｍ／ｓにまで低下させた操業Ｎｏ．４では、操業Ｎｏ．３以上に炉壁部温度が上昇し、炉頂ガス温度も上昇して、通気性がより安定した。

断面積の大きい周辺部が通気変動に及ぼす影響は大きく、炉壁部分の温度が上昇することで、炉頂ガス温度が上昇し、操業が安定する効果があることがわかる。また、操業Ｎｏ．２においては操業Ｎｏ．１よりも低下した出銑比が、操業Ｎｏ．３、４では、回復している。

以上のように、水素含有率の高い還元材を吹き込む高炉操業においては、高炉のシャフト部を冷却するステーブに流通させる冷却媒体の流速を低下させることで、炉壁部の温度低下を抑制し、炉頂ガス温度の低下を防止して、安定操業が可能とり、出銑比も維持することができる。

本発明の一実施形態を示す概略図。

符号の説明

１高炉
２ステーブ
２ａ上部ステーブ
２ｂ下部ステーブ
３羽口
４熱交換器
５入り側冷却媒体
６出側冷却媒体

Claims

羽口から、Ｈを１０質量％以上含有する還元材を、前記還元材吹き込み由来の水素分として３ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上吹き込む高炉操業において、
高炉の炉壁を、冷却水を流通させるステーブを用いて冷却する際に、シャフト部に設置されたステーブに流通させる冷却水の流速を０．３ｍ／ｓ以上０．６ｍ／ｓ未満とすることを特徴とする高炉操業方法。
前記ステーブ中の冷却水を流通させる流路の断面積を大きくすることで前記冷却水の流速を０．３ｍ／ｓ以上０．６ｍ／ｓ未満とすることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。