JP6256710B2 - 酸素高炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸素高炉の操業方法に関し、特に羽口から純酸素を吹き込んで炉頂から窒素が実質的に含まれていない高炉ガスを発生させるタイプの酸素高炉の操業方法について提案する。

近年、製鉄所においては、地球環境問題の観点から省エネ、省資源、炭酸ガス（ＣＯ_２）発生の抑制などの技術開発が強く求められている。このような背景の下で、最近の高炉操業では低還元材比（低ＲＡＲ）操業が強力に推進されている。
従来の一般的な高炉というのは、羽口から熱風を吹き込むタイプのものである。その熱風は、これを作り出す熱源として、高炉やコークス炉、転炉などから発生する副生ガスを混合したガス（Ｍガス）が使用される。それは、熱風のもつ熱量分だけ、還元材の比率を低減できるからである。即ち、熱風を使用することの意義は、従来の高炉で使用されている還元材が、炭素を主成分とする化石燃料で構成されることから、その熱風送風によって、化石燃料の使用量およびＣＯ_２発生量を抑制することができるという点にある。

ところで、従来、その熱風（熱風炉から供給される高温送風）を用いずに羽口から常温の純酸素を吹き込んで溶銑を製造する酸素高炉が提案されている（特許文献１）。この酸素高炉は、炉頂から窒素を含まない高炉ガスを発生させることができるので、これを合成化学工業用ガスとして使用することができるという利点がある。ただし、この酸素高炉では、羽口から純酸素を吹き込んで炉内滞留コークスと反応させるため、羽口先温度が異常に高温になるという課題があった。従って、このような酸素高炉の操業では、羽口先の燃焼領域の温度（羽口先温度）を適正に制御する必要があり、特許文献１においては、ＣＯ_２を含む炉頂ガスを還流させて羽口から吹き込むことにより、所定の温度範囲に制御する方法を提案している。また、羽口から常温の純酸素と共に冷却化剤であるＨ_２ＯまたはＣＯ_２を炉内に吹き込んで窒素を含まない高炉ガスを発生させるという方法を提案している。

その他、純酸素と共に、羽口先温度を調整するために重質油を羽口から吹き込む酸素高炉の操業方法についての提案もある（特許文献２）。

特開昭６０−１５９１０４号公報 特開昭６３−１７１８０７号公報

上述した従来技術、例えば特許文献１に開示の酸素高炉の操業方法の場合、羽口から純酸素を吹き込む酸素高炉では、前述したように、羽口先温度が極めて高温になるという課題がある。そのために、従来の酸素高炉については、羽口先の温度を低下させる操業技術が必須となる。この点、高温空気を羽口から吹き込む一般的な熱風高炉では羽口先が異常高温化する問題は起こらない。即ち、羽口先の温度が高温化するのは、酸素高炉に特有の問題であって、例えば、特許文献１では羽口から常温純酸素とともにＨ_２ＯやＣＯ_２を吹き込んだときの吸熱反応を利用して羽口前の温度を低下させており、燃焼（酸化）とは逆反応（還元）の吸熱反応を利用して、異常高温化した羽口先温度を低温化しているのである。

このように、従来の酸素高炉の場合、純酸素を熱風高炉のように羽口から単に吹き込むと、羽口先の温度が不可避に上昇してしまい、適正な温度に維持（低下）させることは困難であった。

そこで、羽口から冷却化剤である固体還元剤を吹き込む方法が開発されている。一般に、その固体還元剤は、これを完全に燃焼させてガス化することが好ましいと云えるが、通常の熱風高炉などでは、例えば特開２０１１−１７４１７１号公報に開示されているように、いわゆる支燃性ガスを同時に吹き込む方法などの燃焼改善手段が採られている。しかし、酸素高炉の操業においては、基本的に酸素と可燃物以外に熱による着火が必要であり、純酸素を用いる場合は着火後の燃焼温度は異常高温となる一方で、吹き込み酸素自体は常温であるため着火が遅れ、燃え尽きない固体還元剤が炉内に堆積してガスの通過を阻害するという新たな問題もあった。一方で、従来の熱風高炉では可能であった、酸素濃度の調整や送風温度の調整は該酸素高炉では採用できないという問題もある。

そこで、本発明の目的は、羽口前温度を適正なレベルに維持して安定した酸素高炉の操業を可能とする技術を提案することにある。

従来技術が抱えている上述した課題の解決を目指し、そして本発明の前記目的の実現に向けて鋭意検討した結果、発明者らは、下記の要旨構成に係る本発明に想到した。即ち、本発明は、還元剤と共に純酸素を羽口を介して炉内に吹き込む酸素高炉の操業に当たり、炉内に吹き込むその純酸素は吹き込み全純酸素量の２０ｖｏｌ．％以下が３００℃〜６００℃の予熱純酸素であり、かつこの予熱純酸素を多重管もしくは複数配管を用いて前記還元剤流の近傍に吹き込むことを特徴とする酸素高炉の操業方法である。

なお、本発明に係る前記酸素高炉の操業方法において、前記予熱純酸素は、熱交換または可燃性ガスを添加して燃焼させて得られるものを用いることが、より好ましい解決手段になり得るものと考えられる。

前記のような構成を有する本発明の酸素高炉の操業方法によれば、この高炉が抱える特有の課題である異常高温化する羽口前燃焼領域を低温化させることができると同時に、炉内を適正で安定したレベルに維持することができるようになる。しかも、本発明によれば、高炉の羽口先において燃え尽きない固体還元剤の量をなくすことができる効果もある。

酸素高炉とその周辺設備の略線図である。 酸素高炉における羽口からの純酸素を吹き込み状態の説明図である。 酸素高炉において羽口から純酸素を吹き込んだときの吹き込み粒子に着目した燃焼メカニズムの説明図である。 燃焼実験装置の略線図である。 燃焼実験効果を示すランス先端からの距離と温度との関係を示すグラフである。

図１は、酸素高炉およびその周辺設備の概略を示す略線図である。この図に示すように、酸素高炉は、従来の一般的な熱風高炉と同じように、炉頂からは鉄鉱石や焼結鉱と共にコークスが装入される。そして、炉下部にある羽口からは熱風に代えて基本的には常温の純酸素が吹き込まれる。その純酸素は、酸素プラントを用いた深冷分離等の分離技術を適用して空気から製造するのが一般的である。このときに必要となる電力については、製鉄所で発生するコークス炉ガス、高炉ガス、あるいはこれらの混合ガスを用いて発電したものが使われる。

かかる酸素高炉の操業に当たっては、前記羽口から純酸素とともに微粉炭や天然ガス、コークス炉ガスなどの還元剤も吹き込まれる。このときに使用される羽口としては、中心通路部分に微粉炭用バーナーを備えている多重管型の羽口を用い、その中心部にあるバーナー管からは微粉炭と気体還元剤とを吹き込み、環状管からは純酸素を吹き込む形式のものが適用される。このとき、羽口内にバーナー管を１本配置し、そのバーナー管から微粉炭と合成樹脂材を混合して吹き込む方法や、羽口内にバーナー管を２本配置し、一方から微粉炭、他方から気体還元剤を吹き込むようにしてもよい。

前述したように、酸素高炉ではガス流量が少ないため、炉頂部の温度が低下するという問題が起こる。例えば、炉頂ガス温度が１００℃以下になってしまうと、炉頂で結露が発生して操業トラブルを引き起こす。従って、炉頂での炉頂ガス（高炉ガス）温度を１００℃以上に保つためには、図１に示すように、ＣＯを多く含んだ燃焼ガスである該高炉排ガスの一部を、バーナーにて部分燃焼させ、それを高温のガスにして高炉のシャフト部から炉内に吹き込む方法を採用するとよい。

なお、羽口前温度に関しては、２０００℃〜２６００℃の範囲内に維持することが好ましい。もし、羽口前の温度が２０００℃以下になってしまうと、微粉炭の燃焼が不十分となってしまい、未燃チャーが増大して高炉内の圧損が増大してしまう懸念がある。

一方で、酸素高炉では、羽口から炉内に、熱風（１０００℃以上）に代えて基本的には常温の純酸素を高流速（１００ｍ／ｓ以上）で吹き込むため、常温酸素自身による羽口の冷却効果が得られる。従って、従来（特開２００３−２４７００８号）から指摘されているような、羽口耐火物損傷の懸念は小さく、羽口先温度を２３００℃以下に制限する必要もない。一方で、羽口前温度が２６００℃以上にまで上がってしまうと、直接還元比率の比率が急増し、炉内の吸熱反応分の増大による操炉困難が予想される。これらの点を鑑みると、羽口前温度は２０００℃〜２６００℃に調整することが好ましい。

以下、本発明に係る酸素高炉操業方法の一実施形態について、図面を参照してさらに説明する。本発明に係る酸素高炉に用いる羽口１には、図２に示すような、酸素と固体還元剤等とを吹き込むための多重管（図示例は２重管）で構成される純酸素バーナー２が直接接続される。即ち、内管２ａの中心通路からは固体還元剤が、その外管２ｂの環状通路からは酸素が噴射される。そして、燃焼ガスの吹き込み方向の前方のコークス３堆積層には、レースウエイＲと呼ばれる燃焼空間が存在し、主としてこの燃焼空間でコークスの燃焼、ガス化が行われる。

図３は、前記純酸素のバーナーから純酸素や空気（熱風）と共に微粉炭を吹き込んだときの燃焼状態について、本発明に係る酸素高炉（予熱純酸素含有）、従来の酸素高炉、一般的な熱風高炉の場合について説明する図である。この図に示すように、該バーナー先端からレースウエイＲ内に吹き込まれた微粉炭は、コークスとともにその揮発分と固定炭素とは燃焼するが、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が、未燃チャーとなってレースウエイＲから排出される。この場合において、バーナーからの吹き込み速度は、約２００ｍ／ｓ程度とすることが好ましいが、長さ１ｍ程度のレースウェイを抜ける前の１／２００秒程度までで燃焼を完了させることが望ましい。

この点、酸素高炉ではない従来型の熱風高炉では、吹き込みランスの上流から１０００〜１２００℃程度の熱風送風があるため、燃焼点からの輻射以外に熱風の滞留伝熱が固体還元剤（ここでは微粉炭）を予熱し、比較的早いタイミングで着火が行われる。しかし、従来型の酸素高炉は、熱風送風がなく、予熱もないため着火が遅れる一方で、窒素を加熱する必要がないため最高温度は高くなる。ただし、最高温度は高いものの着火が遅くなるため、レースウェイＲ内で燃え尽きない微粉炭は却って増えてしまう。

そこで、もし、本発明のように、前記バーナーから還元剤と共に予熱した純酸素を吹き込むようにすれば、最高温度を維持したまま、着火を従来型熱風高炉並みに早くすることができるようになる。

例えば、微粉炭吹き込みの場合、着火温度は一般に４００℃程度とされているため、純酸素の予熱温度としては、３００℃程度から効果が発現する。一方で、予熱酸素は高温になるほど反応性は高く好ましい。しかし、設備保全の観点から、６００℃未満とすることが好ましいと言える。

本発明において、純酸素の吹き込みは、共に吹き込む還元剤でもある微粉炭の流れを助成するというよりもむしろ着火を早くさせることがより重要な目的になる。このことから、前記予熱純酸素は微粉炭流れの近傍かつその外周を取り囲むある程度の量が好適である。即ち、その量は吹き込みは全純酸素量のうちの２０ｖｏｌ％程度が予熱純酸素とする方が、全吹き込み純酸素を加熱するより経済的で反応効率の上からも好ましい。

前述した本発明方法につき、この方法の効果を確認するため、図４に示す燃焼実験装置を用いて燃焼実験を行った。使用した実験炉内には、コークス３が充填されており、レースウェイＲで消費されるコークス３は、ホッパ４ら補充した。実際の酸素高炉では、図２に示したように、バーナー２は羽口１に直接、接しているが、本実験装置ではバーナー２の先端から吹き込まれた固体還元剤（ここでは微粉炭）５の燃焼を観察するために、そのバーナー２は羽口１から離れた位置に設置した。そして、実験炉内で発生した排ガスは、サイクロン６と呼ばれる分離装置で排ガスとダストに分離し、そのうちの排ガスは助燃炉などの排ガス処理設備に送給し、一方のダストは捕集箱７に捕集した。

この実験において、純酸素を電気ヒーター８により１００〜３００℃に予熱し、得られた予熱純酸素を常温の純酸素と合流させて燃焼させたときの微粉炭の温度を２色温度計で測定した。その結果を図５に示すが、予熱純酸素の予熱温度が３００℃になると、着火が格段に早くなっていることが確認された。

なお、純酸素吹込み用バーナーを３重管構造とし、中心通路に微粉炭、その外周の環状通路から、全純酸素量のうちの２０ｖｏｌ．％の予熱純酸素に可燃性ガス（ここではプロパン）を添加して３００℃に予熱したガスを流し、そして最も外側の外環状通路からは８０ｖｏｌ．％の量の常温純酸素を吹き込んだところ、この場合において、大幅な着火促進効果が観測された。
なお、この実施例では、３重管構造により３００℃にしたガスを微粉炭に合流させたが、別な配管から同様の純酸素を微粉炭流に合流（吹き込ん）させもよい。

本発明において提案する技術は、酸素高炉の操業だけでなく、酸素富化型熱風高炉への適用もまた可能である。

１ 羽口
２ バーナー
２ａ 内管
２ｂ 外管
３ コークス
４ 固体還元剤
６ サイクロン
７ 捕集箱
８ 電気ヒータ

Claims (2)

1. 還元剤と共に純酸素を羽口を介して炉内に吹き込む酸素高炉の操業に当たり、炉内に吹き込むその純酸素は吹き込み全純酸素量の２０ｖｏｌ．％以下が３００℃〜６００℃の予熱純酸素であり、かつこの予熱純酸素を多重管もしくは複数配管を用いて前記還元剤流の近傍に吹き込むことを特徴とする酸素高炉の操業方法。
2. 前記予熱純酸素は、熱交換または可燃性ガスを添加して燃焼させて得られるものを用いることを特徴とする請求項１に記載の酸素高炉の操業方法。

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