TWI775216B - 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以下步驟：由從高爐排出之副產氣體生成再生甲烷氣體之步驟；及從高爐之風口向高爐內吹入送風氣體及還原材料之步驟；使用氧氣作為送風氣體，且使用再生甲烷氣體作為還原材料之至少一部分。

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，於操作設置於煉鐵廠內之高爐時，亦要求進行低還原材料比(低RAR(Reducing Agent Rate))操作。
通常之高爐中，從風口將熱風(加熱至約1200℃之空氣)作為送風氣體吹入高爐內。藉此，熱風中之氧與作為還原材料之焦炭、粉煤發生反應，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，將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使粉煤及焦炭氣體化之作用。
作為於此種高爐之操作中削減二氧化碳排放量之技術，提出有如下技術：將自高爐等排出之副產氣體中所含之一氧化碳及二氧化碳重組，生成甲烷及乙醇等烴，並將所生成之烴作為還原材料再次導入高爐中。
例如，專利文獻1中揭示出：「一種高爐之操作方法，其特徵在於具有以下步驟：(A)從包含CO2 及/或CO之混合氣體中分離回收CO2 及/或CO；(B)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 ；(C)從經過該步驟(B)所得之氣體中分離去除H2 O；及(D)將經過該步驟(C)所得之氣體吹入高爐內」。
又，專利文獻2中揭示出：「一種高爐操作方法，其特徵在於：從使用高爐氣體作為一部分或全部燃料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，要求開發一種可於穩定之操作下，實現高爐之二氧化碳排放量之進一步削減的高爐之操作方法。
本發明係鑒於上述現狀而開發者，其目的在於提供一種可於穩定之操作下，實現高爐之二氧化碳排放量之進一步削減的高爐之操作方法。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，發明者等人為了達成上述目的，反覆進行了銳意研究。首先，針對專利文獻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之原因，發明者等人進行了研究。結果獲得了以下見解。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)，吹入之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)大幅降低。並且，該風口端溫度之降低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產生。
即，於從風口向高爐內吹入粉煤作為還原材料之情形時，因粉煤之主成分為碳，故於風徑區會發生如下反應。 C＋0.5O2 ＝CO＋110.5 kJ/mol 另一方面，於從風口向高爐內吹入甲烷作為還原材料之情形時，於風徑區會發生如下反應。 CH4 ＋0.5O2 ＝CO＋2H2 ＋35.7 kJ/mol 將發生該反應時產生之熱量按CO及H2 之總量的平均每莫耳換算，則為11.9 kJ/mol。 為了使高爐之操作穩定，需要將風口端溫度控制於2000℃～2400℃之範圍內。然而，若將吹入高爐內之大部分還原材料從粉煤置換為甲烷氣體，則上述反應熱之差會導致風口端溫度降低。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。
於是，發明者等人基於上述見解，進一步進行了反覆研究。結果發現：藉由使用氧氣而並非熱風(加熱至約1200℃之空氣)作為送風氣體，即便使用大量甲烷作為吹入高爐內之還原材料，亦可有效防止風口端溫度降低。並且，獲得了如下見解：由從高爐排出之副產氣體再生此種甲烷，將該再生之甲烷(再生甲烷氣體)作為還原材料再次吹入高爐內，藉此，可進一步削減來自高爐之二氧化碳排放量，並實現穩定之高爐操作。又，尤其藉由使用氧濃度較高之氧氣作為送風氣體，可大幅減少自高爐排出之副產氣體中所含之氮量。其結果為，無需自該副產氣體分離一氧化碳及二氧化碳之步驟，對於設備之小型化而言亦極為有利。
再者，關於藉由使用氧氣作為送風氣體，即便使用大量甲烷作為吹入高爐內之還原材料，亦能夠將風口端溫度控制於2000℃～2400℃之範圍，發明者等人對其理由作如下思考。即，於使用熱風(加熱至約1200℃之空氣)作為送風氣體之情形時，燃燒氣體中含有約50體積%之氮，由於氮不參與燃燒反應，因此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從粉煤置換為甲烷氣體，則上述粉煤-氧反應中之反應熱與甲烷氣體-氧反應中之反應熱之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，因此可使風口端溫度充分升高。即，與使用熱風之情形時相比，可使風徑區中之火焰溫度變高，因此，即便於從風口吹入大量甲烷作為還原材料之情形時，亦能夠將風口端溫度控制於適當範圍即2000℃～2400℃之範圍內。本發明係基於上述見解並進一步加以研究而完成者。
即，本發明之主旨構成如下。 1.一種高爐之操作方法，其具有以下步驟： 由從上述高爐排出之副產氣體生成再生甲烷氣體之步驟；及 從上述高爐之風口向上述高爐內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，且使用上述再生甲烷氣體作為上述還原材料之至少一部分。
2.如上述1所記載之高爐之操作方法，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，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甲烷之質量(kg)]×(12/16)÷[熔鐵製造量(t)]
3.如上述1或2所記載之高爐之操作方法，其中上述氧氣之氧濃度為80體積%以上。
4.如上述1至3中任一項所記載之高爐之操作方法，其中由上述副產氣體之一部分生成上述再生甲烷氣體，將上述副產氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
5.如上述1至4中任一項所記載之高爐之操作方法，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中任一項所記載之高爐之操作方法者，且具備： 甲烷氣體生成裝置，其由上述副產氣體生成上述再生甲烷氣體；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，可於穩定操作下，進一步削減來自高爐之二氧化碳(CO2 )排放量。又，藉由使用由高爐氣體生成之甲烷氣體，亦能夠削減焦炭及粉煤，即有限之化石燃料煤之使用量。進而，由於從高爐排出之副產氣體中之氮量大幅減少，故而無需從該副產氣體中分離一氧化碳及二氧化碳之步驟，換言之，無需龐大之變壓吸附法(PSA，Pressure Swing Adsorption)分離裝置等，對於設備之小型化而言亦極為有利。
基於以下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，其具有以下步驟：由從上述高爐排出之副產氣體生成再生甲烷氣體之步驟；及從上述高爐之風口向上述高爐內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，且使用上述再生甲烷氣體作為上述還原材料之至少一部分。
首先，以應用於圖1中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備之情形為例，對本發明之一實施形態之高爐之操作方法進行說明。圖中，符號1係高爐，2係風口，3係甲烷氣體生成裝置，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作為原料之燒結礦、塊狀礦石、團礦(以下亦稱為礦石原料)及焦炭等(未圖示)。又，自設置於高爐下部之風口2向高爐1內吹入送風氣體及還原材料。再者，為了與焦炭進行區分，自風口2吹入高爐1內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，該二氧化碳同未與礦石原料發生反應之一氧化碳及氫等一併作為副產氣體從高爐之爐頂部排出。高爐之爐頂部為2.5氣壓左右之高壓條件。因此，從該高爐之爐頂部排出之副產氣體(以下亦稱為高爐氣體)恢復為常壓時發生膨脹冷卻，使水蒸氣冷凝。然後，於第1脫水裝置5中去除該冷凝水。
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，使高爐氣體所含之一氧化碳及二氧化碳與氫氣發生反應，生成甲烷(CH4 )氣體。此處，將使高爐氣體發生反應所得之甲烷氣體稱為再生甲烷氣體。再者，用於生成再生甲烷氣體之氫可從外部供給，不過較佳為儘量不產生二氧化碳之製造方法。例如可使用水之電解等。又，氫氣可為氫濃度並非100體積%之氣體，不過為了使再生甲烷氣體之甲烷濃度變高，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%。作為除氫以外之其餘氣體，例如可列舉CO、CO2 、H2 S、CH4 、N2 等。
繼而，藉由使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中去除該冷凝水。
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具有將作為吹入還原材料之再生甲烷氣體導入高爐1之風口2之甲烷氣體供給部、及將作為送風氣體之氧氣導入高爐之風口之氧氣供給部。
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。並且，向作為甲烷氣體供給部(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)，向作為氧氣供給部(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較佳設為合計150 kg/t以下。此處，單位「kg/t」係指製造1 t熔鐵時吹入高爐內之其他吹入還原材料之量。於使用其他吹入還原材料之情形時，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形時，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)。於該情形時，如圖2(b)所示，氣體吹入裝置4例如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。於是，從作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，從作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，從作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，若使用常溫之氧氣作為送風氣體，則點燃性變差，因此較佳為將構成氣體吹入裝置4之氧氣供給部之外管之吐出部設為多孔構造，促進氧氣與吹入還原材料之混合。
又，從風口吹入高爐內之甲烷氣體(以下亦稱為吹入甲烷氣體)無需全部使用再生甲烷氣體，亦可配合煉鐵廠之操作，使用從其他生產線供給之甲烷氣體(亦稱為外部甲烷氣體)。於該情形時，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，亦可於上述另一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。再者，作為外部甲烷氣體，例如可列舉來自化石燃料之甲烷氣體等。
繼而，如圖2(a)及(b)所示，從氣體吹入裝置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，該混合氣體於從風口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之端部之高爐內形成風徑區8，該風徑區8係吹入甲烷氣體等吹入還原材料及焦炭與氧氣發生反應之區域。
再者，存在如下情形：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。於該情形時，如圖1所示，較佳為藉由燃燒器7使第1脫水裝置5下游之一部分高爐氣體部分燃燒，升至約800℃～1000℃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，重點為使用氧氣而並非熱風(加熱至約1200℃之空氣)作為送風氣體。即，於使用熱風(加熱至約1200℃之空氣)作為送風氣體之情形時，燃燒氣體中包含約50體積%之氮，由於氮不參與燃燒反應，因此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從粉煤置換為甲烷氣體，則上述粉煤-氧反應中之反應熱與甲烷氣體-氧反應中之反應熱之差會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℃。其結果為，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，因高爐氣體中包含大量氮，故於由高爐氣體生成甲烷氣體之步驟之前，需要進行將氮與一氧化碳及二氧化碳分離之步驟。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，因此可使風口端溫度充分升高。即，與使用熱風之情形時相比，可使風徑區中之火焰溫度變高。因此，即便於從風口吹入大量甲烷作為還原材料之情形時，亦能夠將風口端溫度控制於適當範圍即2000℃～2400℃之範圍內。根據以上所述，本發明之一實施形態之高爐之操作方法中，重點為使用氧氣作為送風氣體。
再者，圖8中，針對使用熱風(加熱至約1200℃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。兩條件均為吹入還原材料全部使用再生甲烷氣體(甲烷濃度：99.5%)。如圖8所示，可知於熱風送風條件下，當循環碳原子之基本單位成為52 kg/t以上(即，再生甲烷之吹入量為97 Nm3 /t以上)時，風口端溫度便會低於適當溫度之下限2000℃。如此，於通常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，則會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、甚至60 kg/t以上，亦能夠將風口端溫度保持為2000℃以上。再者，於圖8之氧氣送風條件下，於循環碳原子之基本單位處於55 kg/t～80 kg/t之範圍內時，風口端溫度超過適當溫度之上限2400℃。其原因在於吹入還原材料全部使用再生甲烷，而於使用外部甲烷氣體作為一部分吹入還原材料之情形時，即便循環碳原子之基本單位處於55 kg/t～80 kg/t之範圍內，亦能夠將風口端溫度控制於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形時，亦可藉由調整氧氣之氧濃度而將風口端溫度控制於2000℃～2400℃之範圍。
又，較佳為氧氣中之氧濃度為80體積%以上。即，若氧氣中之氧濃度較低，則導入高爐內之氣體量、進而高爐之壓力損失增大，有生產性降低之虞。又，反覆進行上述氣體循環期間，再生甲烷氣體中之甲烷氣體之濃度相對地降低。因此，較佳為使氧氣中之氧濃度為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，則即便於操作時間超過通常之高爐操作期間之情形時，亦可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)而無須供給外部甲烷氣體等，因此非常有利。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為80體積%以上。即，若吹入甲烷氣體中之甲烷濃度較低，則向高爐內吹入之氣體量、進而高爐之壓力損失增大，有生產性降低之虞。又，於反覆進行上述氣體循環期間，再生甲烷氣體中之甲烷濃度相對降低。因此，較佳為使吹入甲烷氣體之甲烷濃度為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%。出於同樣之理由，較佳為再生甲烷氣體及外部甲烷氣體之甲烷濃度亦分別為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亦可分別為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，亦可包含例如一氧化碳、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形時，例如藉由降低吹入甲烷氣體中之再生甲烷氣體之比例，另一方面增加甲烷濃度較高之外部甲烷氣體之比例，可使吹入甲烷氣體中之甲烷濃度保持較高。
又，於本發明之一實施形態之高爐之操作方法中，較佳為使還原材料中之循環碳原子之基本單位為55 kg/t以上，進而為60 kg/t以上。此處，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於2000℃～2400℃之範圍。因此，於使用熱風(加熱至約1200℃之空氣)作為送風氣體之情形時，為了將風口端溫度保持於上述範圍內，以碳換算質量計算，僅能以約52 kg/t向高爐內吹入甲烷氣體。即，即便吹入高爐內之甲烷氣體全部使用再生甲烷氣體，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，即便大幅增加甲烷氣體之吹入量，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、甚至60 kg/t以上。藉此，來自高爐氣體所含之一氧化碳及二氧化碳的再生甲烷氣體之使用量增加，進一步削減高爐之二氧化碳排放量。更佳為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。還原材料中之循環碳原子之基本單位之上限並無特別限定，不過較佳為110 kg/t以下。再者，藉由調整吹入還原材料中之再生甲烷氣體向風口之吹入量，可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排放量之削減效果。
又，如圖3所示，亦可由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，如圖4所示，於再生甲烷氣體中存在剩餘部分之情形時，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及其他操作條件並無特別限定，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，其由上述副產氣體生成上述再生甲烷氣體；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引入部、氫氣引入部及反應部。於反應部中，使從高爐氣體引入部引入之高爐氣體與從氫氣引入部引入之氫氣發生反應，生成再生甲烷氣體。再者，由於甲烷氣體的生成反應會引起發熱，因此較佳為反應部具備冷卻機構。
又，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，向作為甲烷氣體供給部(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)，向作為氧氣供給部(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形時，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、廢塑膠作為其他吹入還原材料之情形時，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)。於該情形時，例如，如圖2(b)所示，氣體吹入裝置包含如下之同軸多重管，該同軸多重管除具有中心管4-1及外管4-3外，還於中心管4-1與外管4-3之間設置有內管4-2。於是，從作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，從作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，從作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3～7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高爐之二氧化碳排放量進行評估。將評估結果一併記入表1。再者，圖5～7中，符號9為熱風爐，10為氣體分離裝置，11為熱風爐廢氣用脫水裝置。
此處，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，由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，吹入還原材料全部使用再生甲烷氣體，將再生甲烷氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。發明例2中，使用圖3中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，由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，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。發明例3中，使用圖4中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，由全部高爐氣體生成再生甲烷氣體。又，吹入還原材料全部使用再生甲烷氣體，將再生甲烷氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。發明例4及5中，使用圖3中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，由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，吹入還原材料除使用再生甲烷氣體外，一部分使用來自化石燃料之外部甲烷氣體。
另一方面，比較例1中，使用圖5中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備。即，比較例1係一般之高爐操作方法，即分別使用熱風(加熱至約1200℃之空氣(氧濃度：約為21～25體積%))作為送風氣體，使用粉煤作為吹入還原材料。再者，未由高爐氣體生成再生甲烷氣體。比較例2中，使用圖6中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備。此處，分別使用熱風(加熱至約1200℃之空氣(氧濃度：約為21～25體積%))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前，從高爐氣體中分離一氧化碳及二氧化碳，由分離出之一氧化碳及二氧化碳生成再生甲烷氣體。比較例3中，使用圖7中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備。此處，分別使用熱風(加熱至約1200℃之空氣(氧濃度：約為21～25體積%))作為送風氣體，使用再生甲烷氣體作為吹入還原材料。又，生成再生甲烷氣體並非使用高爐氣體，而是使用熱風爐之副產氣體(以下，亦稱為熱風爐廢氣)。然後，從熱風爐廢氣中分離二氧化碳，由分離出之二氧化碳生成再生甲烷氣體。比較例4中，使用圖1中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備，由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，吹入還原材料除使用再生甲烷氣體外，一部分使用來自化石燃料之外部甲烷氣體。比較例5中，與比較例2同樣使用圖6中示意性地表示之高爐及高爐附帶設備。再者，比較例5除了增加吹入甲烷氣體比以外，條件與比較例2相同。
再者，為了便於比較，儘可能統一高爐之參數。即，設爐身效率為94%，熱損失為150000 kcal/t。再者，單位「kcal/t」意為製造1 t熔鐵時產生之熱損失量(kcal)。同樣地，用於焦炭比等之單位「kg/t」意為製造1 t熔鐵時使用之焦炭之量(kg)等。又，用於吹入甲烷比等之單位「Nm3 /t」亦意為製造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，吹入甲烷比為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中表示之再生甲烷比及外部甲烷比之值均為除甲烷以外之微量之其餘氣體外的甲烷量，係將小數點後第1位四捨五入後之值；因此，表1中之吹入甲烷比有可能與再生甲烷比及外部甲烷比之和不一致)。又，表1中之「高爐InputC」意為製造1 t熔鐵時使用之來自外部之(具體而言為焦炭、粉煤及外部甲烷氣體所含之)碳原子之質量(kg)。
[表1]
表1
   發明例1 發明例2 發明例3 發明例4 發明例5
高爐參數 爐身效率 - 0.94 0.94 0.94 0.94 0.94
熱損失 kcal/t 150000 150000 150000 150000 150000
焦炭比 kg/t 338 338 338 338 338
還原材料 (吹入還原材料) 粉煤比 kg/t 0 0 0 0 0
吹入甲烷比 Nm3 /t 200 200 200 200 200
再生甲烷比 Nm3 /t 200 200 200 103 112
外部甲烷比 Nm3 /t 0 0 0 98 88
送風氣體 供給量 Nm3 /t 321 321 321 321 321
供給溫度 ℃ 25 25 25 25 25
種類 - 氧氣 氧氣 氧氣 氧氣 氧氣
氧濃度 體積% 100 100 100 100 100
高爐氣體產生量 Nm3 /t 1034 1034 1034 1034 1034
氣體分離步驟 有無分離步驟 - 無 無 無 無 無
分離前之氣體種類 - - - - - -
分離前之氣體量 Nm3 /t - - - - -
分離後之氣體種類 - - - - - -
分離後之氣體量 Nm3 /t - - - - -
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
原料氣體量 Nm3 /t 527 264 1034 135 147
氫氣供給量 Nm3 /t 1301 651 2554 334 364
再生甲烷氣體之生成量 Nm3 /t 402 201 788 103 112
再生甲烷氣體之甲烷濃度 體積% 99.6 99.6 99.6 99.6 99.6
氣體分配 吹入甲烷氣體中之再生甲烷氣體量 Nm3 /t 201 201 201 103 112
再生甲烷氣體之剩餘量(煉鐵廠內供給量) Nm3 /t 201 0 587 0 0
高爐氣體之剩餘量(煉鐵廠內供給量) Nm3 /t 507 770 0 899 886
C平衡 循環碳原子之基本單位 kg/t 107 107 107 55 60
高爐InputC kg/t 290 290 290 343 338
評估結果 自高爐向外部排出之CO2 量 kg/t 1064 1064 1064 1256 1238
風口端溫度 ℃ 2046 2046 2046 2046 2046
表1(續)
   比較例1 比較例2 比較例3 比較例4 比較例5  
高爐參數 爐身效率 - 0.94 0.94 0.94 0.94 0.94  
熱損失 kcal/t 150000 150000 150000 150000 150000  
焦炭比 kg/t 331 410 410 338 406  
還原材料 (吹入還原材料) 粉煤比 kg/t 170 0 0 0 0  
吹入甲烷比 Nm3 /t 0 97 97 200 103  
再生甲烷比 Nm3 /t 0 97 97 75 103  
外部甲烷比 Nm3 /t 0 0 0 126 0  
送風氣體 供給量 Nm3 /t 1006 1053 1053 321 1057  
供給溫度 ℃ 1200 1200 1200 25 1200  
種類 - 熱風 熱風 熱風 氧氣 熱風  
氧濃度 體積% 25 25 25 100 25  
高爐氣體產生量 Nm3 /t 1517 1587 1587 1034 1594  
氣體分離步驟 有無分離步驟 - 無 有 有 無 有  
分離前之氣體種類 - - 高爐氣體 熱風爐廢氣 - 高爐氣體  
分離前之氣體量 Nm3 /t - 232 704 - 246  
分離後之氣體種類 - - CO、CO2 CO2 - CO、CO2  
分離後之氣體量 Nm3 /t - 97 179 - 103  
甲烷氣體 生成步驟 原料氣體種類 - - CO、CO2 CO2 高爐氣體 CO、CO2  
原料氣體量 Nm3 /t - 97 179 98 103  
氫氣供給量 Nm3 /t - 342 715 243 360  
再生甲烷氣體之生成量 Nm3 /t - 97 179 75 103  
再生甲烷氣體之甲烷濃度 體積% - 100.0 100.0 99.6 100.0  
氣體分配 吹入甲烷氣體中之再生甲烷氣體量 Nm3 /t - 97 97 75 103  
再生甲烷氣體之剩餘量(煉鐵廠內供給量) Nm3 /t - 0 81 0 0  
高爐氣體之剩餘量(煉鐵廠內供給量) Nm3 /t 1144 960 1192 935 951  
C平衡 循環碳原子之基本單位 kg/t 0 52 52 40 55  
高爐InputC kg/t 420 353 353 358 349  
評估結果 自高爐向外部排出之CO2 量 kg/t 1539 1293 1293 1311 1279  
風口端溫度 ℃ 2179 2000 2000 2046 1978  
如表1所示，於任一發明例中，均可藉由將風口端溫度控制於2000℃～2400℃之範圍而進行穩定之高爐操作，並且可削減高爐向外部排出之二氧化碳量。尤其於發明例1～3中，可大幅削減高爐向外部排出之二氧化碳量。 另一方面，比較例1～4中，未獲得充分之二氧化碳量削減效果。又，比較例5中，因吹入甲烷氣體量增加，故風口端溫度未滿2000℃，因而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 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 11:熱風爐廢氣用脫水裝置
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使用的高爐及高爐附帶設備之一例的圖。 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使用的氣體吹入裝置之例的圖。 圖3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使用的高爐及高爐附帶設備之一例的圖。 圖4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使用的高爐及高爐附帶設備之一例的圖。 圖5係示意性地表示比較例中使用之高爐及高爐附帶設備之圖。 圖6係示意性地表示比較例中使用之高爐及高爐附帶設備之圖。 圖7係示意性地表示比較例中使用之高爐及高爐附帶設備之圖。 圖8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
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 (8)

  1. 一種高爐之操作方法，其具有以下步驟：由從上述高爐排出之副產氣體生成再生甲烷氣體之步驟；及從上述高爐之風口向上述高爐內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，且使用上述再生甲烷氣體作為上述還原材料之至少一部分；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，即循環碳原子之基本單位，為55kg/t以上。
  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，循環碳原子之基本單位係藉由下式求出：[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甲烷之質量(kg)]×(12/16)÷[熔鐵製造量(t)]。
  3. 如請求項1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。
  5. 如請求項1至4中任一項之高爐之操作方法，其中，由上述副產氣體之一部分生成上述再生甲烷氣體，將上述副產氣體之剩餘部分供給至煉鐵廠內。
  6. 如請求項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。
  7. 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。
  8. 一種高爐附帶設備，其係用於請求項1至7中任一項之高爐之操作方法者，且具備：甲烷氣體生成裝置，其由上述副產氣體生成上述再生甲烷氣體；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。
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