TWI758025B - 高爐之操作方法及高爐附帶設備 - Google Patents

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Abstract

本發明之高爐之操作方法具有如下步驟：使用高爐氣體，生成再生甲烷氣體之步驟；以及自高爐之風口向高爐之內部吹入送風氣體及還原材料之步驟；使用氧氣作為送風氣體，且於還原材料之至少一部分使用再生甲烷氣體，將氧氣及/或再生甲烷氣體於自高爐之風口吹入高爐內部之前進行預熱。

Description

高爐之操作方法及高爐附帶設備
本發明係關於一種高爐之操作方法及高爐附帶設備。
近年來，於地球環境問題日益嚴重之背景下，業界強烈要求削減二氧化碳(CO2 )之排放量。因此，於操作設置在煉鐵廠內之高爐時，亦要求進行低還原材料比(低RAR(Reducing Agent Rate))操作。
普通高爐中，自風口將熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體吹入高爐內。藉此，熱風中之氧與成為還原材料之焦炭或粉煤反應，生成一氧化碳(CO)氣體及氫(H2 )氣。藉由該等一氧化碳氣體及氫氣，而使裝入高爐內之鐵礦石還原。又，於該鐵礦石之還原反應中，產生二氧化碳。 再者，送風氣體係自風口吹入高爐內之氣體。送風氣體於高爐內亦發揮將粉煤或焦炭氣體化之作用。
作為於此種高爐之操作中削減二氧化碳排放量之技術，提出有以下技術：使自高爐等排出之副產氣體中所包含之一氧化碳或二氧化碳重組，生成甲烷或乙醇等烴，並將生成之烴作為還原材料再次導入高爐中。
例如，於專利文獻1中，揭示有 「一種高爐之操作方法，其特徵在於具有：步驟(A)，其係自包含CO2 及/或CO之混合氣體中分離回收CO2 及/或CO；步驟(B)，其係對該步驟(A)中分離回收之CO2 及/或CO添加氫，將CO2 及/或CO轉換為CH4 ；步驟(C)，其係自經過該步驟(B)所得之氣體分離去除H2 O；及步驟(D)，其係將經過該步驟(C)所得之氣體吹入高爐內。」。
又，於專利文獻2中，揭示有 「一種高爐操作方法，其特徵在於：自使用高爐氣體作為燃料之一部分或全部之燃燒爐之廢氣中分離CO2 ，將分離出之CO2 重組為甲烷而獲得還原氣體，將所獲得之還原氣體吹入高爐中。」。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2011-225969號公報 專利文獻2：日本專利特開2014-005510號公報
(發明所欲解決之問題)
然而，關於專利文獻1及2之技術，當作為還原材料吹入高爐中之甲烷之量達到一定以上時，有時會引起高爐下部之熱效率不足、壓力損失上升、出渣不良等操作故障。 因此，要求開發一種能於穩定之操作下進一步削減來自高爐之二氧化碳之排放量的高爐之操作方法。
本發明係鑒於上述現狀而開發者，目的在於提供一種能於穩定之操作下進一步削減來自高爐之二氧化碳之排放量的高爐之操作方法。 又，本發明之目的在於提供一種用於上述高爐之操作方法之高爐附帶設備。 (解決問題之技術手段)
於是，本發明者等人為了達成上述目的，反覆進行了銳意研究。 首先，本發明者等人對專利文獻1及2之技術中當作為還原材料吹入高爐中之甲烷量達到一定以上時產生操作故障的原因進行研究。 其結果，已獲得以下見解。 當作為還原材料吹入高爐中之甲烷量達到一定以上時，於風口之出口附近產生之燃燒區域(風徑區)，吹入還原材料及焦炭燃燒所產生之火焰之溫度(以下，亦稱為風口端溫度)大幅度降低。而且，該風口端溫度之降低導致產生高爐下部之熱效率不足、壓力損失上升、出渣不良等操作故障。
即，於自風口將粉煤作為還原材料吹入高爐內之情況下，由於粉煤之主成分為碳，故於風徑區發生如下反應。 C+0.5O2 =CO+110.5 kJ/mol 另一方面，於自風口將甲烷作為還原材料吹入高爐內之情況下，於風徑區發生如下反應。 CH4 +0.5O2 =CO+2H2 +35.7 kJ/mol 若將該反應時所產生之熱量按CO及H2 之合計量之每1莫耳換算，則為11.9 kJ/mol。 為了使高爐之操作穩定，必須將風口端溫度控制為2000℃～2400℃之範圍。然而，若將吹入高爐內之大部分還原材料自粉煤置換成甲烷氣體，則因上述反應熱之差導致風口端溫度降低。其結果，無法將風口端溫度控制於上述範圍內，而產生各種操作故障。
因此，本發明者等人基於上述見解，進一步反覆進行了研究。 結果發現：藉由使用氧氣而並非熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體，即便於吹入高爐內之還原材料使用大量甲烷，亦可有效地防止風口端溫度降低。而且，獲得以下見解：藉由從自高爐排出之副產氣體(以下，亦稱為高爐氣體)再生此種甲烷，將該再生甲烷(再生甲烷氣體)作為還原材料再次吹入高爐內，能夠進一步削減來自高爐之二氧化碳之排放量，實現穩定之高爐之操作。 又，藉由使用氧濃度尤其高之氧氣作為送風氣體，高爐氣體中所包含之氮之量大幅度降低。其結果，獲得以下見解：不需要自該高爐氣體分離一氧化碳或二氧化碳之步驟，於設備之小型化之方面亦極為有利。
再者，關於藉由使用氧氣作為送風氣體，即便吹入高爐內之還原材料使用大量甲烷，亦能夠將風口端溫度控制為2000℃～2400℃之範圍，發明者等人對其理由作如下考慮。 即，於使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體之情況下，燃燒氣體中包含不參與燃燒反應之50體積%左右之氮，故而風徑區中之火焰溫度難以達到高溫。因此，若將吹入高爐內之大部分還原材料自粉煤置換為甲烷氣體，則因上述粉煤-氧反應中之反應熱、與甲烷氣體-氧反應中之反應熱的差會導致風口端溫度降低，甚至會導致風口端溫度低於適當溫度之下限2000℃。 另一方面，藉由使用氧氣作為送風氣體，可抑制不參與燃燒反應之氮氣混入，故而能夠使風口端溫度充分升高。即，與使用熱風之情況相比，可使風徑區中之火焰之溫度變高，因此，即便於自風口吹入大量甲烷作為還原材料之情況下，亦能夠將風口端溫度控制為適當範圍即2000℃～2400℃之範圍。
又，本發明者等人進而進行研究，獲得了以下之見解：藉由將氧氣及/或再生甲烷氣體於自高爐之風口吹入至高爐之內部之前進行預熱，能夠進而削減來自高爐之二氧化碳之排放量。 此處，關於藉由將氧氣及/或再生甲烷氣體於自高爐之風口吹入至高爐之內部之前進行預熱，能夠進而削減來自高爐之二氧化碳之排放量的理由，本發明者等人作如下考慮。 即，本發明者等人考慮，藉由將氧氣及/或再生甲烷氣體進行預熱，而將高爐操作所需要之熱量中作為利用氧使碳氣體化時之反應熱供給之熱量取代為送風之顯熱，藉此能夠削減碳之氣體化量、即二氧化碳之排放量。 本發明係基於上述見解，進一步進行研究而完成者。
即，本發明之主旨構成如下。 1.一種高爐之操作方法，其具有如下步驟： 使用屬於自上述高爐排出之副產氣體的高爐氣體，生成再生甲烷氣體之步驟；以及 自上述高爐之風口將送風氣體及還原材料吹入至上述高爐之內部之步驟； 使用氧氣作為上述送風氣體，且於上述還原材料之至少一部分使用上述再生甲烷氣體， 將上述氧氣及/或上述再生甲烷氣體，於自上述高爐之風口吹入至上述高爐之內部之前進行預熱。
2.如上述1之高爐之操作方法，其中，上述還原材料中之循環碳原子之基本單位為60 kg/t以上。 此處，所謂循環碳原子之基本單位，係指製造1 t熔鐵時作為還原材料吹入高爐內之再生甲烷氣體之碳換算質量，藉由下式求出。 [循環碳原子之基本單位(kg/t)]=[作為還原材料吹入高爐內之再生甲烷氣體中之甲烷之質量(kg)]×(12/16)÷[熔鐵製造量(t)]
3.如上述1或2之高爐之操作方法，其中，上述氧氣之氧濃度為80體積%以上。
4.如上述1至3中任一項之高爐之操作方法，其中，自上述高爐氣體之一部分生成上述再生甲烷氣體，將上述高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
5.如上述1至4中任一項之高爐之操作方法，其中，將上述再生甲烷氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
6.一種高爐附帶設備，其係用於上述1至5中任一項之高爐之操作方法者，其具備： 甲烷氣體生成裝置，其使用上述高爐氣體，生成上述再生甲烷氣體； 預熱裝置，其將上述氧氣及/或上述再生甲烷氣體進行預熱；以及 氣體吹入裝置，其具有將上述再生甲烷氣體導入上述高爐之風口之甲烷氣體供給部、及將上述氧氣導入上述高爐之風口之氧氣供給部。 (對照先前技術之功效)
根據本發明，能於穩定之操作下，進一步削減二氧化碳(CO2 )自高爐向外部之排放量。又，藉由使用自高爐氣體生成之甲烷氣體，亦能夠削減焦炭及粉煤、亦即屬於有限之化石燃料之煤之使用量。 進而，由於高爐氣體中之氮之量大幅度減少，故不需要自高爐氣體分離一氧化碳或二氧化碳之步驟，換言之，不需要巨大之變壓吸附法(PSA，Pressure Swing Adsorption)分離裝置等，就設備之小型化方面而言亦極為有利。
基於以下之實施形態對本發明進行說明。 本發明之一實施形態係一種高爐之操作方法，其具有如下步驟： 使用屬於自上述高爐排出之副產氣體的高爐氣體，生成再生甲烷氣體之步驟；以及 自上述高爐之風口將送風氣體及還原材料吹入至上述高爐之內部之步驟； 使用氧氣作為上述送風氣體，且於上述還原材料之至少一部分使用上述再生甲烷氣體， 將上述氧氣及/或上述再生甲烷氣體(即，上述氧氣及上述再生甲烷氣體之兩者或任一者)於自上述高爐之風口吹入至上述高爐之內部之前進行預熱。
首先，以將本發明之一實施形態之高爐之操作方法應用於圖1示意性地表示之高爐及高爐附帶設備之情況為例進行說明。 圖中，符號1係高爐，2係風口，3係甲烷氣體生成裝置，3-2及3-3係預熱裝置，4係氣體吹入裝置，5係第1脫水裝置，6係第2脫水裝置，7係燃燒器。 再者，此處所謂高爐亦包括豎式還原爐等。
[高爐之操作方法] 於依據本發明之一實施形態之高爐之操作方法中，自高爐之爐頂部向高爐內裝入成為原料之燒結礦、塊狀礦石、團礦(以下，亦稱為礦石原料)或焦炭等(未圖示)。又，自設置於高爐下部之風口2向高爐1內吹入送風氣體與還原材料。再者，為了與焦炭加以區分，將自風口2向高爐1內吹入之還原材料亦稱為吹入還原材料。 然後，藉由送風氣體與還原材料之反應所產生之一氧化碳氣體及氫氣，將裝入高爐1內之礦石原料還原。於該礦石原料之還原反應中，產生二氧化碳。然後，該二氧化碳係同未與礦石原料發生反應之一氧化碳及氫等一起作為副產氣體自高爐之爐頂部排出。高爐之爐頂部成為2.5氣壓左右之高壓條件。因此，自該高爐之爐頂部排出之屬於副產氣體的高爐氣體恢復為常壓時發生膨脹冷卻，而使水蒸氣冷凝。然後，於第1脫水裝置5中，將該冷凝水去除。
繼而，將高爐氣體之至少一部分導入甲烷氣體生成裝置3中。然後，於甲烷氣體生成裝置3中，使高爐氣體中所包含之一氧化碳及二氧化碳與氫氣反應，生成甲烷(CH4 )氣體。此處，將使高爐氣體反應所得之甲烷氣體稱為再生甲烷氣體。
又，生成再生甲烷氣體所使用之氫氣只要自煉鐵廠內或外部供給即可。又，在煉鐵廠內製造氫氣之情況下，較佳為儘量不產生二氧化碳之製法，可舉例如水電解等。另外，作為自外部供給之氫氣，可舉例如藉由將天然氣等烴利用水蒸氣重組等進行重組而製造之氫氣、使液化氫氣化所得之氫氣、將有機氫化物脫氫而製造之氫氣等。 又，生成再生甲烷氣體所使用之氫氣亦可並非氫濃度為100體積%之氣體，但為了使再生甲烷氣體之甲烷濃度成為高濃度，較佳為使用氫濃度較高之氣體，具體而言，使用氫濃度為80體積%以上之氫氣。氫濃度更佳為90體積%以上，進而較佳為95體積%以上。氫濃度亦可為100體積%。作為氫以外之其餘氣體，可舉例如CO或CO2 、H2 S、CH4 、N2 等。
繼而，藉由將再生甲烷氣體冷卻至常溫，而使再生甲烷氣體中之水蒸氣冷凝。然後，於第2脫水裝置6中，將該冷凝水去除。
然後，將去除了冷凝水之再生甲烷氣體及/或用作下述送風氣體之氧氣，利用預熱裝置3-2及/或3-3預熱。 因為，藉由將再生甲烷氣體/氧氣預熱，而將高爐操作所需要之熱量中作為利用氧使碳氣體化時之反應熱供給之熱量取代為送風之顯熱，藉此能夠削減碳之氣體化量、亦即二氧化碳之排放量。
再者，再生甲烷氣體及氧氣之預熱亦可僅對任一者進行，但對兩者進行較為合適。 又，於使用再生甲烷氣體以外之還原材料作為吹入還原材料之情況下，再生甲烷氣體以外之還原材料(尤其是下述外部甲烷氣體)亦同時預熱較為合適。 再者，再生甲烷氣體之預熱溫度(供給溫度)設為200～450℃之範圍較為合適。又，於亦同時使用再生甲烷氣體以外之吹入還原材料之情況下，再生甲烷氣體以外之吹入還原材料之預熱溫度(供給溫度)設為100～600℃之範圍較為合適。尤其是於再生甲烷氣體以外所使用之吹入還原材料為外部甲烷氣體之情況下，外部甲烷氣體之預熱溫度(供給溫度)設為200～450℃之範圍較為合適。 (即，於使用再生甲烷氣體與外部甲烷氣體作為吹入還原材料之情況下，吹入還原材料之預熱溫度(供給溫度)設為200～450℃之範圍較為合適。) 又，氧氣之預熱溫度(供給溫度)設為300～800℃之範圍較為合適。
又，預熱只要藉由電氣加熱或以高溫氣體為介質之熱交換等而進行即可。 電氣加熱所使用之電力並不特別限定，較佳為使用來自能夠再生之能量之電力或利用煉鐵廠內之發電設備發電之電力。 於使用來自能夠再生之能量之電力之情況下，能夠進一步削減二氧化碳之排放量。此處，所謂能夠再生之能量，係指自然界固定存在之能量，可舉例如太陽光或風力、水力、地熱、生物質等。於使用利用煉鐵廠內之發電設備發電之電力之情況下，能夠構築更高效率之資源循環系統。此處，作為煉鐵廠內之發電設備，可舉例如高爐之爐頂壓發電設備或以高爐氣體為燃料(熱源)之發電設備。再者，於以高爐氣體為燃料(熱源)之發電設備中，可配合高爐之操作狀態，將焦炭爐氣體(自焦炭爐排出之副產氣體)或轉爐氣體(自轉爐排出之副產氣體)、管道煤氣亦用於燃料。 又，作為熱交換之介質(以下，亦稱為熱介質)，可利用高爐氣體或再生甲烷氣體之生成熱(來自甲烷氣體生成裝置之廢熱)、藉由水之電氣分解所產生之氫之生成熱等。
繼而，將再生甲烷氣體導入氣體吹入裝置4中。氣體吹入裝置4經由第2脫水裝置6與甲烷氣體生成裝置3連接。又，氣體吹入裝置4具有：甲烷氣體供給部，其將成為吹入還原材料之再生甲烷氣體導入高爐1之風口2；及氧氣供給部，其將成為送風氣體之氧氣導入高爐之風口。
例如，如圖2(a)所示，氣體吹入裝置4包含具有中心管4-1及外管4-3之同軸多重管。而且，向成為甲烷氣體供給部(路)之中心管內路導入甲烷氣體(導入再生甲烷氣體，及適當導入下述外部甲烷氣體)，向成為氧氣供給部(路)之中心管4-1與外管4-3之間之環狀管路導入氧氣。 又，亦可一併使用其他吹入還原材料、例如粉煤或廢塑膠、氫氣或一氧化碳氣體等還原氣體。再者，其他吹入還原材料向高爐內吹入之量合計為150 kg/t以下較為合適。此處，單位「kg/t」係指製造1 t熔鐵時向高爐內吹入之其他吹入還原材料之量。 於使用其他吹入還原材料之情況下，亦可將其他吹入還原材料一併導入甲烷氣體供給部。又，於使用粉煤或廢塑膠作為其他吹入還原材料之情況下，較佳為與甲烷氣體供給部分開設置使粉煤或廢塑膠流通之其他還原材料供給部(路)。於該情況下，例如，如圖2(b)所示，氣體吹入裝置4包含如下同軸多重管，該同軸多重管除了具有中心管4-1及外管4-3以外，還於中心管4-1與外管4-3之間設置有內管4-2。而且，自成為另一還原材料供給部之中心管內路導入粉煤或廢塑膠等其他吹入還原材料。又，自成為甲烷氣體供給部之中心管4-1與外管4-3之間之環狀管路導入甲烷氣體，自成為氧氣供給部之內管4-2與外管4-3之間之環狀管路導入氧。 再者，若使用氧氣作為送風氣體，則與使用熱風之情況相比點燃性變差，故而較佳為使構成氣體吹入裝置4之氧氣供給部之外管之噴出部為多孔構造，以促進氧氣與吹入還原材料混合。
又，並不一定使自風口吹入高爐內之甲烷氣體(以下，亦稱為吹入甲烷氣體)全部為再生甲烷氣體，亦可配合煉鐵廠之操作，使用自其他生產線供給之甲烷氣體(亦稱為外部甲烷氣體)。於該情況下，可於氣體吹入裝置4之甲烷氣體供給部連接外部甲烷氣體之供給生產線，亦可於上述其他還原材料供給部連接外部甲烷氣體之供給生產線。又，亦可於甲烷氣體生成裝置3與氣體吹入裝置4之間(較佳為第2脫水裝置6與氣體吹入裝置4之間)之再生甲烷氣體流通路連接外部甲烷氣體之供給生產線。又，亦可於外部甲烷氣體之供給生產線另外設置外部甲烷氣體用之預熱裝置。尤其，如圖1所示，較佳為於較預熱裝置3-2靠上游側(第2脫水裝置6與預熱裝置3-2之間)，連接外部甲烷氣體之供給生產線，於預熱裝置3-2中，可進行再生甲烷氣體與外部甲烷氣體之兩者之預熱。 再者，作為外部甲烷氣體，可舉例如來自化石燃料之甲烷氣體等。
繼而，如圖2(a)及(b)所示，使自氣體吹入裝置4導入之吹入甲烷氣體等吹入還原材料及氧氣於風口2內混合，該混合氣體於自風口2吹入高爐1內後立即迅速點燃並迅速燃燒。然後，於風口2之前方之高爐內，形成屬於吹入甲烷氣體等吹入還原材料或焦炭與氧氣發生反應之區域的風徑區8。
再者，存在如下情況：當送風氣體中之氧濃度增加時，爐內氣體量變少，高爐上部之裝入物之升溫不充分。於該情況下，如圖1所示，較佳係利用燃燒器7使第1脫水裝置5下游之一部分高爐氣體部分燃燒，達到800℃～1000℃左右之後，向高爐爐身部吹入預熱氣體。
而且，於本發明之一實施形態之高爐之操作方法中，如上所述，重要的是，使用氧氣而並非使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體。 即，於使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體之情況下，燃燒氣體中包含不參與燃燒反應之50體積%左右之氮，故風徑區中之火焰溫度難以達到高溫。因此，若將吹入高爐內之大部分還原材料自粉煤置換為甲烷氣體，則因上述粉煤-氧反應中之反應熱與甲烷氣體-氧反應中之反應熱的差導致風口端溫度降低，使風口端溫度低於適當溫度之下限2000℃。其結果，導致高爐下部之熱效率不足、壓力損失上升、出渣不良等操作故障。又，由於高爐氣體中包含大量氮，故於自高爐氣體生成甲烷氣體之步驟之前步驟，需要進行分離氮與一氧化碳及二氧化碳之步驟。 另一方面，藉由使用氧氣作為送風氣體，可抑制不參與燃燒反應之氮氣混入，故能夠使風口端溫度充分升高。即，與使用熱風之情況相比，可使風徑區中之火焰溫度變高。因此，於自風口吹入大量甲烷作為還原材料之情況下，亦能夠將風口端溫度控制為適當範圍即2000℃～2400℃之範圍。 根據以上所述，於本發明之一實施形態之高爐之操作方法中，重要的是使用氧氣作為送風氣體。
再者，圖6中，針對使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體之條件(以下，亦稱為熱風送風條件)、與使用氧氣(氧濃度：100%)作為送風氣體之條件(以下，亦稱為氧氣送風條件)，表示下述還原材料中之循環碳原子之基本單位(以下，亦簡稱為循環碳原子之基本單位)與風口端溫度之關係之一例。兩條件均於吹入還原材料全部使用再生甲烷氣體(甲烷濃度：99.5%)。 如圖6所示，可知於熱風送風條件下，當循環碳原子之基本單位為52 kg/t以上(即，再生甲烷之吹入量為97 Nm3 /t以上)時，風口端溫度將低於適當溫度之下限2000℃。如此，於一般所使用之熱風送風條件下，若將循環碳原子之基本單位設為55 kg/t以上、尤其是60 kg/t以上，則導致風口端溫度降低，無法進行穩定之操作。 另一方面，可知於氧氣送風條件下，即便將循環碳原子之基本單位設為55 kg/t以上、進而60 kg/t以上，亦能夠將風口端溫度保持為2000℃以上。 再者，於圖6之氧氣送風條件下，循環碳原子之基本單位為55 kg/t～80 kg/t之範圍時，風口端溫度超過適當溫度之上限2400℃。其原因在於，於吹入還原材料全部使用再生甲烷，而於吹入還原材料之一部分使用外部甲烷氣體之情況下，即便於循環碳原子之基本單位為55 kg/t～80 kg/t之範圍內，亦能夠將風口端溫度控制為2000℃～2400℃之範圍。又，即便於吹入還原材料全部使用再生甲烷之情況下，亦能夠藉由調整氧氣之氧濃度，而將風口端溫度控制為2000℃～2400℃之範圍。
又，氧氣中之氧濃度較佳為80體積%以上。即，若氧氣中之氧濃度較低，則有向高爐內導入之氣體量、甚至高爐之壓力損失增大，從而生產性降低之虞。又，於重複上述氣體循環期間，再生甲烷氣體中之甲烷氣體之濃度相對降低。因此，氧氣中之氧濃度較佳為80體積%以上。氧濃度更佳為90體積%以上，進而較佳為95體積%以上。尤其，若氧濃度為90體積%以上，則即便於超過通常之高爐操作期間進行操作之情況下，亦能夠將再生甲烷氣體中之甲烷氣體濃度保持為高濃度(90體積%左右)而無須外部甲烷氣體之供給等，故而非常有利。氧濃度亦可為100體積%。 再者，作為氧氣中之除氧以外之其餘氣體，例如亦可包含氮、二氧化碳、氬等。
又，較佳為將再生甲烷氣體、或包含再生甲烷氣體及外部甲烷氣體之吹入甲烷氣體之甲烷濃度設為80體積%以上。 即，若吹入甲烷氣體中之甲烷濃度較低，則有向高爐內吹入之氣體量、甚至高爐之壓力損失增大，從而生產性降低之虞。又，於重複上述氣體循環期間，再生甲烷氣體中之甲烷濃度相對降低。因此，吹入甲烷氣體之甲烷濃度較佳為80體積%以上。吹入甲烷氣體之甲烷濃度更佳為90體積%以上，進而較佳為95體積%以上。吹入甲烷氣體之甲烷濃度亦可為100體積%。 根據相同之理由，再生甲烷氣體及外部甲烷氣體之甲烷濃度亦分別較佳為80體積%以上。再生甲烷氣體及外部甲烷氣體之甲烷濃度分別更佳為90體積%以上，進而較佳為95體積%以上。再生甲烷氣體及外部甲烷氣體之甲烷濃度分別亦可為100體積%。 再者，作為吹入甲烷氣體、再生甲烷氣體及外部甲烷氣體中之除甲烷以外之其餘氣體，例如亦可包含一氧化碳、二氧化碳、氫及烴、以及氮等雜質氣體。 又，於再生甲烷氣體之甲烷濃度降低之情況下，例如，藉由使吹入甲烷氣體中之再生甲烷氣體之比例降低，另一方面，使甲烷濃度較高之外部甲烷氣體之比例增加，能夠將吹入甲烷氣體中之甲烷濃度保持得較高。
又，於本發明之一實施形態之高爐之操作方法中，較佳為將還原材料中之循環碳原子之基本單位設為55 kg/t以上，進而設為60 kg/t以上。 此處，所謂循環碳原子之基本單位，係指製造1 t熔鐵時作為還原材料吹入高爐內之再生甲烷氣體之碳換算質量，藉由下式求出。 [循環碳原子之基本單位(kg/t)]=[作為還原材料吹入高爐內之再生甲烷氣體中之甲烷之質量(kg)]×(12/16)÷[熔鐵製造量(t)]
為了實現高爐之穩定操作，通常需要將風口端溫度控制為2000℃～2400℃之範圍。因此，於使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣)作為送風氣體之情況下，為了將風口端溫度保持為上述範圍，以碳換算質量計，僅能將甲烷氣體至多向高爐內吹入52 kg/t左右。即，即便使吹入高爐內之甲烷氣體全部為再生甲烷氣體，而還原材料中之循環碳原子之基本單位亦至多為52 kg/t左右。
另一方面，於本發明之一實施形態之高爐之操作方法中，即便使甲烷氣體之吹入量大幅度增加，亦能夠將風口端溫度控制為2000℃～2400℃之範圍。因此，可使還原材料中之循環碳原子之基本單位增加至55 kg/t以上、進而60 kg/t以上。藉此，來自高爐氣體中所包含之一氧化碳或二氧化碳之再生甲烷氣體之使用量增加，來自高爐之二氧化碳之排放量進一步削減。還原材料中之循環碳原子之基本單位為80 kg/t以上，進而為90 kg/t以上更合適。還原材料中之循環碳原子之基本單位之上限並不特別限定，但較佳為110 kg/t以下。 再者，可藉由調整吹入還原材料中之再生甲烷氣體向風口吹入之量，來控制還原材料中之循環碳原子之基本單位。 尤其藉由將吹入甲烷氣體中之再生甲烷氣體之比例設為80體積%以上，較佳為90體積%以上，可獲得較高之二氧化碳之排放量削減效果。
又，亦可自高爐氣體之一部分生成再生甲烷氣體，將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。進而，於再生甲烷氣體存在剩餘部分之情況下，亦可將該剩餘部分供給至煉鐵廠內。
再者，氧氣及還原材料之吹入量或其他操作條件並不特別限定，只要根據高爐之容量等適當決定即可。
[高爐附帶設備] 本發明之一實施形態之高爐附帶設備係用於上述高爐之操作方法者，且具備： 甲烷氣體生成裝置，其使用上述高爐氣體，生成上述再生甲烷氣體； 預熱裝置，其將上述氧氣及/或上述再生甲烷氣體進行預熱；以及 氣體吹入裝置，其具有將上述再生甲烷氣體導入上述高爐之風口之甲烷氣體供給部、及將上述氧氣導入上述高爐之風口之氧氣供給部。
此處，甲烷氣體生成裝置例如具有高爐氣體取入部、氫氣取入部、及反應部。於反應部中，使自高爐氣體取入部取入之高爐氣體與自氫氣取入部取入之氫氣反應，而生成再生甲烷氣體。 再者，由於甲烷氣體之生成反應中產生發熱，故而較佳為反應部具備冷卻機構。又，更佳為具備如可由其他裝置、例如下述預熱裝置利用甲烷氣體之生成反應中之發熱的殼管式或板鰭式的廢熱回收機構。
預熱裝置中之預熱係藉由電加熱器(electric heater)或熱交換器等而進行。成為一例之預熱裝置具有電加熱器及被加熱物(再生甲烷氣體或氧氣等)之流通路。而且，電加熱器設置於被加熱物之流通路。又，成為其他例之預熱裝置具有進行被加熱物與熱介質之熱交換之傳熱部(熱交換器)、被加熱物之流通路、及熱介質之流通路。
如上所述，例如，如圖2(a)所示，氣體吹入裝置包含具有中心管4-1及外管4-3之同軸多重管。而且，向成為甲烷氣體供給部(路)之中心管內路導入甲烷氣體(導入再生甲烷氣體，及適當導入下述外部甲烷氣體)，向成為氧氣供給部(路)之中心管4-1與外管4-3之間之環狀管路導入氧氣。 又，亦可一併使用其他吹入還原材料、例如粉煤或廢塑膠、氫氣或一氧化碳氣體等還原氣體。 於使用其他吹入還原材料之情況下，亦可將其他吹入還原材料一併導入甲烷氣體供給部。又，於使用粉煤或廢塑膠作為其他吹入還原材料之情況下，較佳為與甲烷氣體供給部分開設置使粉煤、廢塑膠流通之另一還原材料供給部(路)。於該情況下，例如，如圖2(b)所示，氣體吹入裝置包含如下同軸多重管，該同軸多重管除了具有中心管4-1及外管4-3以外，還於中心管4-1與外管4-3之間設置有內管4-2。而且，自成為另一還原材料供給部之中心管內路導入粉煤、廢塑膠等其他吹入還原材料。又，自成為甲烷氣體供給部之中心管4-1與外管4-3之間之環狀管路導入甲烷氣體，自成為氧氣供給部之內管4-2與外管4-3之間之環狀管路導入氧。 [實施例]
使用圖1、圖3至5中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，於表1所示之條件下進行高爐操作，對操作中之風口端溫度及來自高爐之二氧化碳之排放量進行評估。將評估結果一併記載於表1中。 再者，於圖3至5中，符號9係熱風爐，10係氣體分離裝置。
此處，於發明例1中，使用圖1中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，自高爐氣體之一部分生成再生甲烷氣體，將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。又，於吹入還原材料全部使用再生甲烷氣體，以不產生再生甲烷氣體之剩餘部分之方式，調整再生甲烷氣體之生成量。又，進行送風氣體(氧氣)之預熱。 於發明例2中，使用圖1中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，自高爐氣體之一部分生成再生甲烷氣體，將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。又，於吹入還原材料全部使用再生甲烷氣體，以不產生再生甲烷氣體之剩餘部分之方式，調整再生甲烷氣體之生成量。又，進行吹入還原材料(再生甲烷氣體)之預熱。 於發明例3中，使用圖1中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，自高爐氣體之一部分生成再生甲烷氣體，將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。又，於吹入還原材料全部使用再生甲烷氣體，以不產生再生甲烷氣體之剩餘部分之方式，調整再生甲烷氣體之生成量。又，進行送風氣體(氧氣)及吹入還原材料(再生甲烷氣體)之預熱。 於發明例4中，使用圖1中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，自高爐氣體之一部分生成再生甲烷氣體，將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。又，於吹入還原材料除了使用再生甲烷氣體以外，一部分使用來自化石燃料之外部甲烷氣體。又，進行送風氣體(氧氣)之預熱。 於發明例5中，使用圖1中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，自高爐氣體之一部分生成再生甲烷氣體，將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。又，於吹入還原材料除了使用再生甲烷氣體以外，一部分使用來自化石燃料之外部甲烷氣體。又，進行吹入還原材料(再生甲烷氣體+外部甲烷氣體)之預熱。 於發明例6中，使用圖1中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，自高爐氣體之一部分生成再生甲烷氣體，將高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。又，於吹入還原材料除了使用再生甲烷氣體以外，一部分使用來自化石燃料之外部甲烷氣體。又，進行送風氣體(氧氣)及吹入還原材料(再生甲烷氣體+外部甲烷氣體)之預熱。
另一方面，於比較例1中，使用圖3中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備。即，比較例1係分別使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣(氧濃度：21至25體積%左右))作為送風氣體，使用粉煤作為吹入還原材料之普通高爐操作方法。再者，未自高爐氣體生成再生甲烷氣體。 於比較例2中，使用圖4示意性地表示之高爐及高爐附帶設備。 即，於吹入還原材料全部使用外部甲烷氣體，使用氧氣作為送風氣體。又，進行送風氣體(氧氣)及吹入還原材料(外部甲烷氣體)之預熱。 於比較例3中，使用圖5示意性地表示之高爐及高爐附帶設備使用。即，分別使用熱風(加熱至1200℃左右之空氣(氧濃度21～25體積%左右))作為送風氣體，使用再生甲烷氣體作為吹入還原材料。又，於生成再生甲烷氣體之前，自高爐氣體分離一氧化碳及二氧化碳，自經分離之一氧化碳及二氧化碳，生成再生甲烷氣體。再者，表1之比較例3中之甲烷氣體生成步驟之原料氣體量為自高爐氣體分離一氧化碳及二氧化碳之前的高爐氣體量。
再者，為了便於比較，儘可能統一高爐之參數。即，使爐身效率為94%，熱損耗為150000 kcal/t。 再者，單位「kcal/t」，係指製造1 t熔鐵時所產生之熱損耗量(kcal)。同樣地，焦炭比等中所使用之單位「kg/t」，係指製造1 t熔鐵時所使用之焦炭之量(kg)等。又，吹入甲烷比等所使用之單位「Nm3 /t」，亦係指製造1 t熔鐵時吹入高爐內之吹入甲烷氣體中之甲烷量(Nm3 )等(再者，吹入甲烷比係再生甲烷比及外部甲烷比之和，但再生甲烷氣體中包含甲烷以外之微量之其餘氣體；又，表1中所表示之再生甲烷比及外部甲烷比之值均係將甲烷以外之微量之其餘氣體排除後之甲烷量，係將小數點後第1位四捨五入所得之值；因此，存在表1中之吹入甲烷比與再生甲烷比及外部甲烷比之和不一致之情況；又，表1中之其他數值亦存在同樣情況)。 又，表1中之「高爐InputC」係指製造1 t熔鐵時所使用之來自外部之(具體而言為焦炭、粉煤及外部甲烷氣體所包含之)碳原子之質量(kg)。
[表1]
   發明例 1 發明例 2 發明例 3 發明例 4 發明例 5 發明例 6 比較例 1 比較例 2 比較例 3
高 爐 參 數 爐身效率    0.94 0.94 0.94 0.94 0.94 0.94 0.94 0.94 0.94
熱損耗 kcal/t 150000 150000 150000 150000 150000 150000 150000 150000 150000
焦炭比 kg/t 326 328 296 326 328 296 331 296 407
還原 材料 (吹入 還原 材料) 粉煤比 kg/t 0 0 0 0 0 0 170 0 0
吹入甲烷比 Nm3 /t 238 238 252 238 238 252 0 252 103
再生甲烷比 Nm3 /t 238 238 252 118 118 102 0 0 103
外部甲烷比 Nm3 /t 0 0 0 120 120 150 0 252 0
預熱溫度 (供給溫度) ℃ 80 400 400 80 400 400 25 400 80
送風 氣體 供給量 Nm3 /t 330 332 313 330 332 313 1006 313 1170
預熱溫度 (供給溫度) ℃ 600 25 600 600 25 600 1200 600 1200
種類 - 氧氣 氧氣 氧氣 氧氣 氧氣 氧氣 熱風 氧氣 熱風
氧濃度 體積% 100 100 100 100 100 100 25 100 25
高爐氣體產生量 Nm3 /t 942 944 923 942 944 923 1517 923 1599
甲 烷 氣 體 生 成 步 驟 原料氣體種類 - 高爐 氣體 高爐 氣體 高爐 氣體 高爐 氣體 高爐 氣體 高爐 氣體 - - 高爐 氣體
原料氣體量 Nm3 /t 334 332 365 166 165 148 - - 247
氫氣供給量 Nm3 /t 741 738 770 367 366 312 - - 340
再生甲烷氣體 之生成量 Nm3 /t 238 238 252 118 118 102 - - 103
再生甲烷氣體 之甲烷濃度 體積% 99.6 99.6 99.6 99.6 99.6 99.6 - - 99.6
預 熱 步 驟 再生甲烷氣體 (亦包含其他吹 入還原材料) - 無 有 有 無 有 有 無 有 無
氧氣 - 有 無 有 有 無 有 無 有 無
C 平 衡 循環碳原子之 基本單位 kg/t 128 128 135 63 63 55 0 0 55
高爐InputC kg/t 280 282 254 344 346 334 420 389 350
評 估 結 果 自高爐向外部 排出之CO2 量 kg/t 1027 1034 931 1262 1270 1226 1539 1426 1283
風口端溫度 ℃ 2005 2006 2008 2005 2006 2008 2179 2008 1930
如表1所示，任一發明例中，均可藉由將風口端溫度控制為2000℃～2400℃之範圍而進行穩定之高爐操作，並且可削減自高爐向外部排出之二氧化碳量。 另一方面，於比較例1及2中，未獲得充分之二氧化碳量削減效果。又，於比較例3中，因吹入甲烷氣體量增加導致風口端溫度未滿2000℃，故無法進行穩定之高爐操作。
1:高爐 2:風口 3:甲烷氣體生成裝置 3-2,3-3:預熱裝置 4:氣體吹入裝置 4-1:中心管 4-2:內管 4-3:外管 5:第1脫水裝置 6:第2脫水裝置 7:燃燒器 8:風徑區 9:熱風爐 10:氣體分離裝置
圖1係示意性地表示本發明之一實施形態之高爐之操作方法中所使用的高爐及高爐附帶設備之一例之圖。 圖2(a)及(b)係示意性地表示本發明之一實施形態之高爐之操作方法中所使用的氣體吹入裝置之例之圖。 圖3係示意性地表示比較例中所使用之高爐及高爐附帶設備之圖。 圖4係示意性地表示比較例中所使用之高爐及高爐附帶設備之圖。 圖5係示意性地表示比較例中所使用之高爐及高爐附帶設備之圖。 圖6係針對熱風送風條件及氧氣送風條件，表示循環碳原子之基本單位與風口端溫度之關係之一例的圖。
1:高爐
2:風口
3:甲烷氣體生成裝置
3-2,3-3:預熱裝置
4:氣體吹入裝置
5:第1脫水裝置
6:第2脫水裝置
7:燃燒器

Claims (10)

  1. 一種高爐之操作方法，其具有如下步驟：使用屬於自上述高爐排出之副產氣體的高爐氣體，生成再生甲烷氣體之步驟；以及自上述高爐之風口向上述高爐之內部吹入送風氣體及還原材料之步驟；使用氧氣作為上述送風氣體，且於上述還原材料之至少一部分使用上述再生甲烷氣體，將上述氧氣及/或上述再生甲烷氣體於自上述高爐之風口吹入上述高爐內部之前進行預熱。
  2. 如請求項1之高爐之操作方法，其中，上述還原材料中之循環碳原子之基本單位為60kg/t以上，此處，所謂循環碳原子之基本單位，係指製造1t熔鐵時作為還原材料吹入高爐內之再生甲烷氣體之碳換算質量，藉由下式求出：[循環碳原子之基本單位(kg/t)]=[作為還原材料吹入高爐內之再生甲烷氣體中之甲烷之質量(kg)]×(12/16)÷[熔鐵製造量(t)]。
  3. 如請求項1或2之高爐之操作方法，其中，上述氧氣之氧濃度為80體積%以上。
  4. 如請求項1或2之高爐之操作方法，其中，自上述高爐氣體之一部分生成上述再生甲烷氣體，將上述高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
  5. 如請求項3之高爐之操作方法，其中，自上述高爐氣體 之一部分生成上述再生甲烷氣體，將上述高爐氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
  6. 如請求項1或2之高爐之操作方法，其中，將上述再生甲烷氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
  7. 如請求項3之高爐之操作方法，其中，將上述再生甲烷氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
  8. 如請求項4之高爐之操作方法，其中，將上述再生甲烷氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
  9. 如請求項5之高爐之操作方法，其中，將上述再生甲烷氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
  10. 一種高爐附帶設備，其係用於請求項1至9中任一項之高爐之操作方法者，其具備：甲烷氣體生成裝置，其使用上述高爐氣體，生成上述再生甲烷氣體；預熱裝置，其將上述氧氣及/或上述再生甲烷氣體進行預熱；以及氣體吹入裝置，其具有將上述再生甲烷氣體導入上述高爐之風口之甲烷氣體供給部、及將上述氧氣導入上述高爐之風口之氧氣供給部。
TW109145643A 2019-12-26 2020-12-23 高爐之操作方法及高爐附帶設備 TWI758025B (zh)

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