高炉の操業方法
【課題】フェロコークスを高炉用原料として利用する際に、フェロコークス中の酸化鉄の還元性が良好となると共に、従来のフェロコークス製造技術の問題点を解消する高炉の操業方法を提供すること。
【解決手段】石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を成型して製造したフェロコークス８と、コークス９と、鉄鉱石７とを高炉に装入する際に、コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番で装入し、該コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番での装入サイクルを繰り返し行うことを特徴とする高炉の操業方法を用いる。フェロコークスは、石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を加熱して熱間にて塊成型物に成型し、該塊成型物を加熱して塊成型物中の石炭を乾留して製造されたものが望ましい。また、フェロコークス原料として石炭と鉄鉱石に加えてバイオマスや廃プラスチックを用いることが好ましい。
【解決手段】石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を成型して製造したフェロコークス８と、コークス９と、鉄鉱石７とを高炉に装入する際に、コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番で装入し、該コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番での装入サイクルを繰り返し行うことを特徴とする高炉の操業方法を用いる。フェロコークスは、石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を加熱して熱間にて塊成型物に成型し、該塊成型物を加熱して塊成型物中の石炭を乾留して製造されたものが望ましい。また、フェロコークス原料として石炭と鉄鉱石に加えてバイオマスや廃プラスチックを用いることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェロコークスを高炉原料として用いる高炉の操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原料石炭に粉鉄鉱石を配合し、この混合物を通常の室炉式コークス炉で乾留してフェロコークスを製造する技術としては、１）石炭と粉鉄鉱石との粉体混合物を室炉式コークス炉に装入する方法、２）石炭と鉄鉱石を冷間、すなわち室温で成型し、その成型物を室炉式コークス炉に装入する方法などが検討されてきた（例えば、非特許文献１参照。）。しかし通常の室炉式コークス炉は、珪石煉瓦で構成されているので、鉄鉱石を装入した場合に珪石煉瓦の主成分であるシリカと反応し、低融点のファイヤライト（２ＦｅＯ・ＳｉＯ２）が生成して珪石煉瓦の損傷を招く。このため室炉式コークス炉でフェロコークスを製造する技術は、工業的には実施されていない。
【０００３】
近年室炉式コークス製造法に替わるコークス製造方法として、連続式成型コークス製造法が開発されている。連続式成型コークス製造法では、乾留炉として、珪石煉瓦ではなくシャモット煉瓦にて構成される竪型シャフト炉を用い、石炭を冷間で所定の大きさに成型後、シャフト炉に装入し、循環熱媒ガスを用いて加熱することにより成型炭を乾留し、成型コークスを製造する。資源埋蔵量が豊富で安価な非微粘結炭を多量に使用しても、通常の室炉式コークスと同等の強度を有するコークスが製造可能なことが確認されているが、使用する石炭の粘結性が高い場合にはシャフト炉内で成型炭が軟化融着し、シャフト炉操業が困難になると共に変形や割れ等のコークスの品質低下を招くという問題が発生する。
【０００４】
連続式コークス製造法でのシャフト炉内での融着抑制のために、石炭に鉄鉱石を全体量の１５〜４０％となるように添加し、冷間で成型物を製造し、シャフト炉に装入する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−６５５７９号公報
【非特許文献１】燃料会編 「コークス技術年報」 １９５８年、ｐ．３８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の、石炭に鉄鉱石を添加し、冷間で成型物を製造し、シャフト炉に装入する連続式コークス製造法では、鉄鉱石には粘結性がないので、冷間の状態で成型物を製造するために高価なバインダを添加する必要がある。また室温の成型物をシャフト炉の上部から装入するため、高温ガスとの接触により成型物の内部と表面の温度差により熱応力が発生し、熱割れが起こり、粉化し、製品歩留りが低下してしまう。
【０００６】
一方で、高炉操業においては、微粉炭吹込み量の増加等により、高価なコークスの使用量を削減する、還元材比を低減させる操業を指向している。高炉操業においてフェロコークスを原料として使用する場合、フェロコークス中の酸化鉄の還元性が悪いと、還元材比が上昇し、生産性も悪化するため、フェロコークス中の酸化鉄の還元性が良好であることが望ましい。
【０００７】
したがって本発明の目的は、フェロコークスを高炉用原料として利用する際に、フェロコークス中の酸化鉄の還元性が良好となる高炉の操業方法を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、フェロコークスを高炉用原料として利用するために、従来のフェロコークス製造技術の問題点を解消すると共に、フェロコークス中の酸化鉄の還元性が良好となる高炉の操業方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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）、石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を成型して製造したフェロコークスと、コークスと、鉄鉱石とを高炉に装入する際に、コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番で装入し、該コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番での装入サイクルを繰り返し行うことを特徴とする高炉の操業方法。
（２）、フェロコークスが、石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を加熱して熱間にて塊成型物に成型し、該塊成型物を加熱して塊成型物中の石炭を乾留して製造されたものであることを特徴とする、（１）に記載の高炉の操業方法。
（３）、フェロコークスの原料が、さらにバイオマスを含有することを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉の操業方法。
（４）、フェロコークスの原料がさらに廃プラスチックを含有することを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の高炉の操業方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高炉の操業に好適なフェロコークスが得られ、フェロコークスを高炉用原料として用いることでコークス比、還元材比の低減が可能であり、しかもフェロコークス中の酸化鉄の還元性が良好であり、生産性も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明では、フェロコークスと、コークスと、鉄鉱石とを高炉に装入して操業を行う際に、コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番で高炉内に装入し、該コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番での装入サイクル（「コークス／鉄鉱石／フェロコークス」サイクル）を繰り返す。したがって高炉内には、下からコークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番での多層状態が繰り返し形成されることになる。
【００１２】
本発明で用いるフェロコークスとは、石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を成型して製造した塊成型物を加熱して、塊成型物中の石炭を乾留して製造されたものである。なお、石炭と鉄鉱石とを主成分とするとは、フェロコークスの原料が主として石炭と鉄鉱石であることを意味するものであり、石炭と鉄鉱石とを７０ｍａｓｓ％以上含有する原料を用いてフェロコークスを製造するものであるが、通常は石炭と鉄鉱石とを８０ｍａｓｓ％以上含有する原料を使用する。
【００１３】
フェロコークスは、石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を加熱して熱間にて塊成型物に成型し、該塊成型物を加熱して塊成型物中の石炭を乾留して製造されたものであることが望ましい。
【００１４】
石炭と鉄鉱石とを原料としてフェロコークスを製造する際に、石炭を加熱処理した場合に粘結性が発現することを利用し、石炭を加熱した熱間の状態で鉄鉱石と共に塊成型物を成型することにより、バインダを使用しないで成型物を製造する。また、上記の熱間成型物を高温の状態のままで乾留することで、加熱過程において成型物に発生する熱応力が低減され、このため粉化を抑制することができ、製造されるフェロコークスの製品歩留まりを向上させることができる。また、乾留過程における鉄鉱石の触媒効果を利用して石炭から水素を含むガスを多量に回収することができ、この還元性の発生ガスを鉄源の還元ガスとして冶金炉に供給することもできる。
【００１５】
フェロコークスの原料として、石炭と鉄鉱石のみを用いることもできるが、石炭と鉄鉱石とに加えて、バイオマスを用いることが好ましい。バイオマスとは、すべての生物、すなわちエネルギ資源として再生可能な全有機体をいい、例えば木材、パルプ廃液、紙、油が挙げられる。乾留過程における鉄鉱石の触媒効果により、バイオマスから水素を含むガスを多量に回収することができるので、バイオマスを添加することで、高炉等への吹き込みにより好適な還元性のガスを得ることができる。また、フェロコークス原料はシャフト炉で乾留することが好ましく、原料を成型した塊成型物をシャフト炉の中で加熱する際に成型物同士が互いに融着すると、炉内の熱風の流れが悪くなる、塊成型物がシャフト炉内で荷下がりしなくなる等の問題が発生する場合があるが、鉄鉱石の他に粘結性を示さない木材などのバイオマスを配合することで、乾留過程において塊成型物がシャフト炉内で融着するのを抑制することができる。
【００１６】
フェロコークスにバイオマスを配合する場合、バイオマスは低嵩密度であるので、製造されたフェロコークスの強度が低下する傾向がある。したがって、バイオマスの配合割合はフェロコークス原料全体の２０ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。
【００１７】
以下、高炉での使用に好適なフェロコークスの製造方法の一実施形態について説明する。原料の鉄鉱石、石炭、バイオマスを用いる場合はさらにバイオマスは、粉砕機にて所定の粒度以下に粉砕された後、予熱器にて加熱される。予熱器には流動層炉やキルンが用いられる。原料を予熱する方法としては、原料の鉄鉱石、石炭、バイオマス全てを同じ温度に予熱するパターンと、それぞれに温度差をつけるパターンが考えられるが、本実施形態では２種類の予熱器を使用して、石炭、バイオマスの温度を２００℃〜３００℃程度に予熱し、また鉄鉱石を４００℃〜５００℃に予熱し、その後、混練機にて混合することにより平均３５０℃程度の混合物を製造する。石炭、バイオマスを２００℃以上に加熱処理すると熱分解ガスが発生する場合があり、ハンドリングが難しくなる傾向があるので、石炭、バイオマスの予熱温度は低く押えることが望ましい。一方鉄鉱石は加熱処理してもガス発生がないので、予熱温度を高くすることが可能である。
【００１８】
鉄鉱石は、石炭、バイオマス等に比較して、比重が大きいこと等に起因して予熱時の熱効率が高いので、鉄鉱石の予熱温度を石炭、バイオマスよりも高くすることで省エネルギ化することもできる。
【００１９】
石炭は急速加熱すると粘結性が高くなる性質がある。石炭の予熱温度を鉄鉱石の予熱温度よりも低い温度にて加熱し、混合することで、石炭を急速加熱することができるので、石炭の粘結性を向上させることができる。
【００２０】
次に熱間成型機で原料の鉄鉱石、石炭、バイオマスを熱間成型する。石炭は予熱・混練により３５０℃程度になると軟化溶融する。この石炭の軟化溶融性をバインダとして利用すると、別途バインダを添加しなくても原料を塊成型物に成型することができる。なお３５０℃よりも高い温度で原料を成型しようとすると、石炭から発生するガスにより成型できない場合があるので、成型温度は３５０℃以下とすることが望ましい。
【００２１】
熱間成型機で成型した塊成型物をシャフト炉型熱処理炉等で熱風を用いた直接加熱法にて乾留することが望ましい。熱風炉よりシャフト炉に加熱ガスを吹込む。シャフト炉の上部には低温ガスが吹込まれ、中部には高温ガスが吹き込まれ、また熱効率を高めるために中部から上部にガスが循環される。シャフト炉の下部には冷却ガスが吹き込まれ、室温ベースの成型フェロコークスが取り出される。
【００２２】
シャフト炉内で塊成型物は９００℃程度の温度になるので、石炭と接触している鉄鉱石が還元される。鉄鉱石の還元率は８０％以上の高い還元率とすることも可能である。成型されたフェロコークスの圧潰強度は１９６０Ｎ以上であり、高炉で粉化しない十分な強度が得られる。
【００２３】
本実施形態によれば、熱間で成型した塊成型物を高温の状態のままでシャフト炉に装入するので、シャフト炉での加熱過程において成型物に発生する熱応力が低減され、このため粉化を抑制することができ、製品歩留まりを向上させることができる。また鉄鉱石の他に粘結性を示さない木材などのバイオマスを配合することで、乾留過程において成型物がシャフト炉内で融着するのを抑制することができる。
【００２４】
一部還元された粉状鉄源を内包したフェロコークスは高炉に投入される。通常、高炉にはフェロコークス以外に、鉄鉱石、焼結鉱、コークス等を投入する。フェロコークスは高反応性のため焼結鉱の還元を促進すると共に、一部還元された鉄鉱石が含まれているので、高炉内での熱保存帯の温度を下げることができ、したがってコークス比を低減することができる。
【００２５】
高炉の還元材比（燃料比）低下のためには、高反応性コークスを用いる高炉での還元平衡温度を制御し、熱保存帯の温度を下げる方法と、事前に鉄鉱石を部分還元して高炉に投入するという２つの方法が考えられる。上記の方法で製造したフェロコークスを高炉の操業に用いると、両方の方法を組み合わせることができるので、非常に効果的である。すなわち本発明方法で製造されるフェロコークスは、鉄鉱石が一部還元されていると同時に、鉄鉱石の触媒効果でコークスの反応性を高めることができ、高炉の中でのガス利用率を高められるため、これを用いることで高炉の還元材比を低下させることができる。
【００２６】
また、フェロコークスの原料の鉄鉱石は多孔質の鉄鉱石を含むことが望ましい。鉄鉱石の中でも多孔質の鉄鉱石（すなわち所謂高結晶水鉱石）を使用すると、分解触媒効果を向上させることができ、水素の収率を上げることができる。
【００２７】
塊成型物を製造する際の鉄鉱石と石炭との配合割合は、鉄鉱石を、鉄鉱石と石炭との合計量の４０ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。鉄鉱石の配合比率が４０ｍａｓｓ％超であると、フェロコークスの強度が急激に低下するためである。また、鉄鉱石の配合割合が少ないほど、石炭と接触する鉄鉱石の表面の割合が高くなるので、鉄鉱石の還元率は高くなる。鉄鉱石中の鉄の還元率が８０ｍａｓｓ％程度と高くなると、鉄鉱石の配合によりフェロコークスのコークスドラム強度や圧潰強度が高くなる。
【００２８】
本発明では、フェロコークスの原料として、バイオマスの代わりに又はバイオマスと併用して廃プラスチックを使用することも可能である。バイオマスと同様に、廃プラスチックからもシャフト炉等での乾留過程における鉄鉱石の触媒効果により、水素を含むガスが多量に発生する。廃プラスチックとは、あらゆる産業分野、日常生活分野で利用されているプラスチックが使用後に廃棄物として排出されたものをいう。廃プラスチックは主に家庭から排出される一般廃棄物及び事業所から排出される産業廃棄物の双方に含まれて排出される。また廃プラスチック以外にも、汚泥、タイヤ等の有機系廃棄物をフェロコークスの原料として使用してもよい。廃プラスチックを用いる場合もバイオマスと同様に２００℃以上に加熱処理すると熱分解ガスが発生する場合があり、ハンドリングが難しくなる傾向があり、予熱温度は２００℃〜３００℃程度で、低温の方が好ましい。また、フェロコークスの原料を熱間成型する際には、廃プラスチックの熱可塑性を利用し、廃プラスチックを加熱した熱間の状態で成型して、バインダを使用しないで成型物を製造することができる。
【００２９】
以上のように、フェロコークスを高炉用原料として用いることでコークス比、還元材比の低減が可能であるが、フェロコークスを鉄鉱石、コークスとともに高炉に装入する際の装入順序を工夫することで、フェロコークス中の酸化鉄の還元性を向上させて、生産性を向上させることができる。
【００３０】
図１は本発明の一実施形態を示す説明図である。図１において、高炉１の頂部からコークス、鉄鉱石、フェロコークスを装入するために、地上部にそれぞれ個別の貯留層を用意している。例えば貯留層４にはコークス、貯留層５にはフェロコークス、貯留層６には鉄鉱石をそれぞれ充填する。フェロコークスとして、上記のように熱間で成型して製造したフェロコークスを用いることも、その他の方法で製造されたフェロコークスを用いることも可能である。また、鉄鉱石の代りに焼結鉱を用いることもできる。これらの原燃料をベルトコンベア３にのせ高炉１の炉頂装入設備２を用いてコークス、鉄鉱石、フェロコークスの順に高炉１内に積層堆積させる。炉頂装入設備２には複数の形式があるが、任意の形式のものを用いることができる。またコークス、鉄鉱石、フェロコークスの装入を１サイクル（「コークス／鉄鉱石／フェロコークス」サイクル）として高炉の原料装入レベルが一定となるように順次装入サイクルを繰り返していくものとする。
【００３１】
上記のようにして原燃料を高炉１内に堆積させた後の層状構造の模式図を図２に示す。コークス９、鉄鉱石７、フェロコークス８、の順に原燃料を高炉１内に積層堆積させた場合（「コークス／鉄鉱石／フェロコークス」サイクル）の層状構造の模式図である。フェロコークス８は、例えばマセック型（Ｉ：４３ｍｍ、Ｈ：４３ｍｍ、ｔ：１８ｍｍ）に成型する。コークス９の粒径は通常５０〜１００ｍｍ程度であり、鉄鉱石７（または焼結鉱）の粒径は５〜２０ｍｍ程度である。
【００３２】
図３は、コークス９、フェロコークス８、鉄鉱石７、の順に原燃料を高炉１内に積層堆積させた場合の層状構造（「コークス／フェロコークス／鉄鉱石」サイクル）の模式図であり、図２の層状構造と比較するための積層例である。
【００３３】
上記のように、原燃料を高炉１内に積層堆積させた場合に各層内で生じる反応は以下の反応式（ａ）〜（ｃ）で示されるものである。
【００３４】
コークス層：吸熱反応であり、Ｃ＋ＣＯ2＝２ＣＯ・・・（ａ）
鉄鉱石層：発熱反応であり、ＦｅＯ＋ＣＯ＝Ｆｅ＋ＣＯ2・・・（ｂ）
フェロコークス層：ＦｅＯ＋Ｃ＝Ｆｅ＋ＣＯ（ＦｅＯ＋ＣＯ＝Ｆｅ＋ＣＯ2、Ｃ＋ＣＯ2＝２ＣＯ）・・・（ｃ）
フェロコークス層でのトータルの反応は吸熱反応であり、フェロコークス層における還元反応を進行させるためには、より高温での反応が望ましい。
【００３５】
図２、および図３に示した層構造の場合の高炉内での高さ方向の温度分布を、図４に模式的に示す。実線が図２の「コークス／鉄鉱石／フェロコークス」サイクルの場合であり、破線が図３の「コークス／フェロコークス／鉄鉱石」サイクルの場合である。図４において、レベルＡ〜レベルＡ’までが１サイクルの層の厚さに対応し、レベルＡ〜レベルＢがコークス層、レベルＢ〜レベルＣまでが鉄鉱石層（図２の場合）またはフェロコークス層（図３の場合）、レベルＣ〜レベルＡ’までがフェロコークス層（図２の場合）または鉄鉱石層（図３の場合）である。図４においては、高炉の熱保存帯におけるほぼ均一な温度分布を想定し、ガス温度および固体の温度はいずれも熱保存帯温度に等しいとした。また１サイクルの層の厚さが熱保存帯高さに比べて充分に短いとすれば、コークス層、鉄鉱石層、フェロコークス層の１サイクルの開始時点と終了時点における温度（図４のレベルＡとレベルＡ’における温度）は熱保存帯温度に等しいと考えることができるとした。
【００３６】
図２の「コークス／鉄鉱石／フェロコークス」サイクルの場合、レベルＡ〜レベルＢの間で（ａ）式による吸熱反応が生じ温度は低下する。レベルＢ〜レベルＣの間で（ｂ）式による発熱反応が起きるため温度は上昇する。したがってフェロコークス層の雰囲気温度は相対的に高温となり、フェロコークス中の酸化鉄
の還元反応を促進することができる。
【００３７】
一方、図３の「コークス／フェロコークス／鉄鉱石」サイクルの場合、レベルＡ〜レベルＢの間での（ａ）式による温度低下は同じであるが、その次に反応する、コークス層の上に位置するフェロコークス中の酸化鉄はレベルＢ〜レベルＣの間で相対的に低温下で還元されることになり、図２の「コークス／鉄鉱石／フェロコークス」サイクルの場合に比較して反応性が低下することになる。
【実施例１】
【００３８】
内容積３４４３ｍ3の高炉へ、コークス、鉄鉱石、フェロコークスを装入する際に、コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順に積層堆積させた場合の高炉操業例を本発明例として表１に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】
表１において、本発明例では、高炉内の酸化鉄（フェロコークス、鉄鉱石中の酸化鉄ともに）の還元性が良好であるため、還元材比が低下し安定的に操業可能であり、生産性も向上した。
【実施例２】
【００４１】
従来例として、高炉への原燃料の装入をコークスと鉄鉱石として、フェロコークスの装入を実施しない通常の操業を行った。この場合の高炉操業例を従来例として表１に併せて示す。従来例は、フェロコークスを使用しない場合の高炉操業であるため、本発明例よりも還元材比が高く、生産性も低いものである。
【００４２】
以上のように高炉におけるフェロコークスの使用は還元材比低減に大きな効果を発揮することが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態であり、コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順に原燃料を高炉内に堆積させた場合の層状構造の模式図である。
【図３】コークス、フェロコークス、鉄鉱石の順に原燃料を高炉内に積層堆積させた場合の層状構造の模式図である。
【図４】層構造の違いによる高炉内での高さ方向の温度分布を示す模式的なグラフ。
【符号の説明】
【００４４】
１ 高炉
２ 炉頂装入設備
３ ベルトコンベア
４ 貯留層（コークス）
５ 貯留層（フェロコークス）
６ 貯留層（鉄鉱石）
７ 鉄鉱石
８ フェロコークス
９ コークス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェロコークスを高炉原料として用いる高炉の操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原料石炭に粉鉄鉱石を配合し、この混合物を通常の室炉式コークス炉で乾留してフェロコークスを製造する技術としては、１）石炭と粉鉄鉱石との粉体混合物を室炉式コークス炉に装入する方法、２）石炭と鉄鉱石を冷間、すなわち室温で成型し、その成型物を室炉式コークス炉に装入する方法などが検討されてきた（例えば、非特許文献１参照。）。しかし通常の室炉式コークス炉は、珪石煉瓦で構成されているので、鉄鉱石を装入した場合に珪石煉瓦の主成分であるシリカと反応し、低融点のファイヤライト（２ＦｅＯ・ＳｉＯ２）が生成して珪石煉瓦の損傷を招く。このため室炉式コークス炉でフェロコークスを製造する技術は、工業的には実施されていない。
【０００３】
近年室炉式コークス製造法に替わるコークス製造方法として、連続式成型コークス製造法が開発されている。連続式成型コークス製造法では、乾留炉として、珪石煉瓦ではなくシャモット煉瓦にて構成される竪型シャフト炉を用い、石炭を冷間で所定の大きさに成型後、シャフト炉に装入し、循環熱媒ガスを用いて加熱することにより成型炭を乾留し、成型コークスを製造する。資源埋蔵量が豊富で安価な非微粘結炭を多量に使用しても、通常の室炉式コークスと同等の強度を有するコークスが製造可能なことが確認されているが、使用する石炭の粘結性が高い場合にはシャフト炉内で成型炭が軟化融着し、シャフト炉操業が困難になると共に変形や割れ等のコークスの品質低下を招くという問題が発生する。
【０００４】
連続式コークス製造法でのシャフト炉内での融着抑制のために、石炭に鉄鉱石を全体量の１５〜４０％となるように添加し、冷間で成型物を製造し、シャフト炉に装入する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−６５５７９号公報
【非特許文献１】燃料会編 「コークス技術年報」 １９５８年、ｐ．３８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の、石炭に鉄鉱石を添加し、冷間で成型物を製造し、シャフト炉に装入する連続式コークス製造法では、鉄鉱石には粘結性がないので、冷間の状態で成型物を製造するために高価なバインダを添加する必要がある。また室温の成型物をシャフト炉の上部から装入するため、高温ガスとの接触により成型物の内部と表面の温度差により熱応力が発生し、熱割れが起こり、粉化し、製品歩留りが低下してしまう。
【０００６】
一方で、高炉操業においては、微粉炭吹込み量の増加等により、高価なコークスの使用量を削減する、還元材比を低減させる操業を指向している。高炉操業においてフェロコークスを原料として使用する場合、フェロコークス中の酸化鉄の還元性が悪いと、還元材比が上昇し、生産性も悪化するため、フェロコークス中の酸化鉄の還元性が良好であることが望ましい。
【０００７】
したがって本発明の目的は、フェロコークスを高炉用原料として利用する際に、フェロコークス中の酸化鉄の還元性が良好となる高炉の操業方法を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、フェロコークスを高炉用原料として利用するために、従来のフェロコークス製造技術の問題点を解消すると共に、フェロコークス中の酸化鉄の還元性が良好となる高炉の操業方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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）、石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を成型して製造したフェロコークスと、コークスと、鉄鉱石とを高炉に装入する際に、コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番で装入し、該コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番での装入サイクルを繰り返し行うことを特徴とする高炉の操業方法。
（２）、フェロコークスが、石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を加熱して熱間にて塊成型物に成型し、該塊成型物を加熱して塊成型物中の石炭を乾留して製造されたものであることを特徴とする、（１）に記載の高炉の操業方法。
（３）、フェロコークスの原料が、さらにバイオマスを含有することを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉の操業方法。
（４）、フェロコークスの原料がさらに廃プラスチックを含有することを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の高炉の操業方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高炉の操業に好適なフェロコークスが得られ、フェロコークスを高炉用原料として用いることでコークス比、還元材比の低減が可能であり、しかもフェロコークス中の酸化鉄の還元性が良好であり、生産性も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明では、フェロコークスと、コークスと、鉄鉱石とを高炉に装入して操業を行う際に、コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番で高炉内に装入し、該コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番での装入サイクル（「コークス／鉄鉱石／フェロコークス」サイクル）を繰り返す。したがって高炉内には、下からコークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番での多層状態が繰り返し形成されることになる。
【００１２】
本発明で用いるフェロコークスとは、石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を成型して製造した塊成型物を加熱して、塊成型物中の石炭を乾留して製造されたものである。なお、石炭と鉄鉱石とを主成分とするとは、フェロコークスの原料が主として石炭と鉄鉱石であることを意味するものであり、石炭と鉄鉱石とを７０ｍａｓｓ％以上含有する原料を用いてフェロコークスを製造するものであるが、通常は石炭と鉄鉱石とを８０ｍａｓｓ％以上含有する原料を使用する。
【００１３】
フェロコークスは、石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を加熱して熱間にて塊成型物に成型し、該塊成型物を加熱して塊成型物中の石炭を乾留して製造されたものであることが望ましい。
【００１４】
石炭と鉄鉱石とを原料としてフェロコークスを製造する際に、石炭を加熱処理した場合に粘結性が発現することを利用し、石炭を加熱した熱間の状態で鉄鉱石と共に塊成型物を成型することにより、バインダを使用しないで成型物を製造する。また、上記の熱間成型物を高温の状態のままで乾留することで、加熱過程において成型物に発生する熱応力が低減され、このため粉化を抑制することができ、製造されるフェロコークスの製品歩留まりを向上させることができる。また、乾留過程における鉄鉱石の触媒効果を利用して石炭から水素を含むガスを多量に回収することができ、この還元性の発生ガスを鉄源の還元ガスとして冶金炉に供給することもできる。
【００１５】
フェロコークスの原料として、石炭と鉄鉱石のみを用いることもできるが、石炭と鉄鉱石とに加えて、バイオマスを用いることが好ましい。バイオマスとは、すべての生物、すなわちエネルギ資源として再生可能な全有機体をいい、例えば木材、パルプ廃液、紙、油が挙げられる。乾留過程における鉄鉱石の触媒効果により、バイオマスから水素を含むガスを多量に回収することができるので、バイオマスを添加することで、高炉等への吹き込みにより好適な還元性のガスを得ることができる。また、フェロコークス原料はシャフト炉で乾留することが好ましく、原料を成型した塊成型物をシャフト炉の中で加熱する際に成型物同士が互いに融着すると、炉内の熱風の流れが悪くなる、塊成型物がシャフト炉内で荷下がりしなくなる等の問題が発生する場合があるが、鉄鉱石の他に粘結性を示さない木材などのバイオマスを配合することで、乾留過程において塊成型物がシャフト炉内で融着するのを抑制することができる。
【００１６】
フェロコークスにバイオマスを配合する場合、バイオマスは低嵩密度であるので、製造されたフェロコークスの強度が低下する傾向がある。したがって、バイオマスの配合割合はフェロコークス原料全体の２０ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。
【００１７】
以下、高炉での使用に好適なフェロコークスの製造方法の一実施形態について説明する。原料の鉄鉱石、石炭、バイオマスを用いる場合はさらにバイオマスは、粉砕機にて所定の粒度以下に粉砕された後、予熱器にて加熱される。予熱器には流動層炉やキルンが用いられる。原料を予熱する方法としては、原料の鉄鉱石、石炭、バイオマス全てを同じ温度に予熱するパターンと、それぞれに温度差をつけるパターンが考えられるが、本実施形態では２種類の予熱器を使用して、石炭、バイオマスの温度を２００℃〜３００℃程度に予熱し、また鉄鉱石を４００℃〜５００℃に予熱し、その後、混練機にて混合することにより平均３５０℃程度の混合物を製造する。石炭、バイオマスを２００℃以上に加熱処理すると熱分解ガスが発生する場合があり、ハンドリングが難しくなる傾向があるので、石炭、バイオマスの予熱温度は低く押えることが望ましい。一方鉄鉱石は加熱処理してもガス発生がないので、予熱温度を高くすることが可能である。
【００１８】
鉄鉱石は、石炭、バイオマス等に比較して、比重が大きいこと等に起因して予熱時の熱効率が高いので、鉄鉱石の予熱温度を石炭、バイオマスよりも高くすることで省エネルギ化することもできる。
【００１９】
石炭は急速加熱すると粘結性が高くなる性質がある。石炭の予熱温度を鉄鉱石の予熱温度よりも低い温度にて加熱し、混合することで、石炭を急速加熱することができるので、石炭の粘結性を向上させることができる。
【００２０】
次に熱間成型機で原料の鉄鉱石、石炭、バイオマスを熱間成型する。石炭は予熱・混練により３５０℃程度になると軟化溶融する。この石炭の軟化溶融性をバインダとして利用すると、別途バインダを添加しなくても原料を塊成型物に成型することができる。なお３５０℃よりも高い温度で原料を成型しようとすると、石炭から発生するガスにより成型できない場合があるので、成型温度は３５０℃以下とすることが望ましい。
【００２１】
熱間成型機で成型した塊成型物をシャフト炉型熱処理炉等で熱風を用いた直接加熱法にて乾留することが望ましい。熱風炉よりシャフト炉に加熱ガスを吹込む。シャフト炉の上部には低温ガスが吹込まれ、中部には高温ガスが吹き込まれ、また熱効率を高めるために中部から上部にガスが循環される。シャフト炉の下部には冷却ガスが吹き込まれ、室温ベースの成型フェロコークスが取り出される。
【００２２】
シャフト炉内で塊成型物は９００℃程度の温度になるので、石炭と接触している鉄鉱石が還元される。鉄鉱石の還元率は８０％以上の高い還元率とすることも可能である。成型されたフェロコークスの圧潰強度は１９６０Ｎ以上であり、高炉で粉化しない十分な強度が得られる。
【００２３】
本実施形態によれば、熱間で成型した塊成型物を高温の状態のままでシャフト炉に装入するので、シャフト炉での加熱過程において成型物に発生する熱応力が低減され、このため粉化を抑制することができ、製品歩留まりを向上させることができる。また鉄鉱石の他に粘結性を示さない木材などのバイオマスを配合することで、乾留過程において成型物がシャフト炉内で融着するのを抑制することができる。
【００２４】
一部還元された粉状鉄源を内包したフェロコークスは高炉に投入される。通常、高炉にはフェロコークス以外に、鉄鉱石、焼結鉱、コークス等を投入する。フェロコークスは高反応性のため焼結鉱の還元を促進すると共に、一部還元された鉄鉱石が含まれているので、高炉内での熱保存帯の温度を下げることができ、したがってコークス比を低減することができる。
【００２５】
高炉の還元材比（燃料比）低下のためには、高反応性コークスを用いる高炉での還元平衡温度を制御し、熱保存帯の温度を下げる方法と、事前に鉄鉱石を部分還元して高炉に投入するという２つの方法が考えられる。上記の方法で製造したフェロコークスを高炉の操業に用いると、両方の方法を組み合わせることができるので、非常に効果的である。すなわち本発明方法で製造されるフェロコークスは、鉄鉱石が一部還元されていると同時に、鉄鉱石の触媒効果でコークスの反応性を高めることができ、高炉の中でのガス利用率を高められるため、これを用いることで高炉の還元材比を低下させることができる。
【００２６】
また、フェロコークスの原料の鉄鉱石は多孔質の鉄鉱石を含むことが望ましい。鉄鉱石の中でも多孔質の鉄鉱石（すなわち所謂高結晶水鉱石）を使用すると、分解触媒効果を向上させることができ、水素の収率を上げることができる。
【００２７】
塊成型物を製造する際の鉄鉱石と石炭との配合割合は、鉄鉱石を、鉄鉱石と石炭との合計量の４０ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。鉄鉱石の配合比率が４０ｍａｓｓ％超であると、フェロコークスの強度が急激に低下するためである。また、鉄鉱石の配合割合が少ないほど、石炭と接触する鉄鉱石の表面の割合が高くなるので、鉄鉱石の還元率は高くなる。鉄鉱石中の鉄の還元率が８０ｍａｓｓ％程度と高くなると、鉄鉱石の配合によりフェロコークスのコークスドラム強度や圧潰強度が高くなる。
【００２８】
本発明では、フェロコークスの原料として、バイオマスの代わりに又はバイオマスと併用して廃プラスチックを使用することも可能である。バイオマスと同様に、廃プラスチックからもシャフト炉等での乾留過程における鉄鉱石の触媒効果により、水素を含むガスが多量に発生する。廃プラスチックとは、あらゆる産業分野、日常生活分野で利用されているプラスチックが使用後に廃棄物として排出されたものをいう。廃プラスチックは主に家庭から排出される一般廃棄物及び事業所から排出される産業廃棄物の双方に含まれて排出される。また廃プラスチック以外にも、汚泥、タイヤ等の有機系廃棄物をフェロコークスの原料として使用してもよい。廃プラスチックを用いる場合もバイオマスと同様に２００℃以上に加熱処理すると熱分解ガスが発生する場合があり、ハンドリングが難しくなる傾向があり、予熱温度は２００℃〜３００℃程度で、低温の方が好ましい。また、フェロコークスの原料を熱間成型する際には、廃プラスチックの熱可塑性を利用し、廃プラスチックを加熱した熱間の状態で成型して、バインダを使用しないで成型物を製造することができる。
【００２９】
以上のように、フェロコークスを高炉用原料として用いることでコークス比、還元材比の低減が可能であるが、フェロコークスを鉄鉱石、コークスとともに高炉に装入する際の装入順序を工夫することで、フェロコークス中の酸化鉄の還元性を向上させて、生産性を向上させることができる。
【００３０】
図１は本発明の一実施形態を示す説明図である。図１において、高炉１の頂部からコークス、鉄鉱石、フェロコークスを装入するために、地上部にそれぞれ個別の貯留層を用意している。例えば貯留層４にはコークス、貯留層５にはフェロコークス、貯留層６には鉄鉱石をそれぞれ充填する。フェロコークスとして、上記のように熱間で成型して製造したフェロコークスを用いることも、その他の方法で製造されたフェロコークスを用いることも可能である。また、鉄鉱石の代りに焼結鉱を用いることもできる。これらの原燃料をベルトコンベア３にのせ高炉１の炉頂装入設備２を用いてコークス、鉄鉱石、フェロコークスの順に高炉１内に積層堆積させる。炉頂装入設備２には複数の形式があるが、任意の形式のものを用いることができる。またコークス、鉄鉱石、フェロコークスの装入を１サイクル（「コークス／鉄鉱石／フェロコークス」サイクル）として高炉の原料装入レベルが一定となるように順次装入サイクルを繰り返していくものとする。
【００３１】
上記のようにして原燃料を高炉１内に堆積させた後の層状構造の模式図を図２に示す。コークス９、鉄鉱石７、フェロコークス８、の順に原燃料を高炉１内に積層堆積させた場合（「コークス／鉄鉱石／フェロコークス」サイクル）の層状構造の模式図である。フェロコークス８は、例えばマセック型（Ｉ：４３ｍｍ、Ｈ：４３ｍｍ、ｔ：１８ｍｍ）に成型する。コークス９の粒径は通常５０〜１００ｍｍ程度であり、鉄鉱石７（または焼結鉱）の粒径は５〜２０ｍｍ程度である。
【００３２】
図３は、コークス９、フェロコークス８、鉄鉱石７、の順に原燃料を高炉１内に積層堆積させた場合の層状構造（「コークス／フェロコークス／鉄鉱石」サイクル）の模式図であり、図２の層状構造と比較するための積層例である。
【００３３】
上記のように、原燃料を高炉１内に積層堆積させた場合に各層内で生じる反応は以下の反応式（ａ）〜（ｃ）で示されるものである。
【００３４】
コークス層：吸熱反応であり、Ｃ＋ＣＯ2＝２ＣＯ・・・（ａ）
鉄鉱石層：発熱反応であり、ＦｅＯ＋ＣＯ＝Ｆｅ＋ＣＯ2・・・（ｂ）
フェロコークス層：ＦｅＯ＋Ｃ＝Ｆｅ＋ＣＯ（ＦｅＯ＋ＣＯ＝Ｆｅ＋ＣＯ2、Ｃ＋ＣＯ2＝２ＣＯ）・・・（ｃ）
フェロコークス層でのトータルの反応は吸熱反応であり、フェロコークス層における還元反応を進行させるためには、より高温での反応が望ましい。
【００３５】
図２、および図３に示した層構造の場合の高炉内での高さ方向の温度分布を、図４に模式的に示す。実線が図２の「コークス／鉄鉱石／フェロコークス」サイクルの場合であり、破線が図３の「コークス／フェロコークス／鉄鉱石」サイクルの場合である。図４において、レベルＡ〜レベルＡ’までが１サイクルの層の厚さに対応し、レベルＡ〜レベルＢがコークス層、レベルＢ〜レベルＣまでが鉄鉱石層（図２の場合）またはフェロコークス層（図３の場合）、レベルＣ〜レベルＡ’までがフェロコークス層（図２の場合）または鉄鉱石層（図３の場合）である。図４においては、高炉の熱保存帯におけるほぼ均一な温度分布を想定し、ガス温度および固体の温度はいずれも熱保存帯温度に等しいとした。また１サイクルの層の厚さが熱保存帯高さに比べて充分に短いとすれば、コークス層、鉄鉱石層、フェロコークス層の１サイクルの開始時点と終了時点における温度（図４のレベルＡとレベルＡ’における温度）は熱保存帯温度に等しいと考えることができるとした。
【００３６】
図２の「コークス／鉄鉱石／フェロコークス」サイクルの場合、レベルＡ〜レベルＢの間で（ａ）式による吸熱反応が生じ温度は低下する。レベルＢ〜レベルＣの間で（ｂ）式による発熱反応が起きるため温度は上昇する。したがってフェロコークス層の雰囲気温度は相対的に高温となり、フェロコークス中の酸化鉄
の還元反応を促進することができる。
【００３７】
一方、図３の「コークス／フェロコークス／鉄鉱石」サイクルの場合、レベルＡ〜レベルＢの間での（ａ）式による温度低下は同じであるが、その次に反応する、コークス層の上に位置するフェロコークス中の酸化鉄はレベルＢ〜レベルＣの間で相対的に低温下で還元されることになり、図２の「コークス／鉄鉱石／フェロコークス」サイクルの場合に比較して反応性が低下することになる。
【実施例１】
【００３８】
内容積３４４３ｍ3の高炉へ、コークス、鉄鉱石、フェロコークスを装入する際に、コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順に積層堆積させた場合の高炉操業例を本発明例として表１に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】
表１において、本発明例では、高炉内の酸化鉄（フェロコークス、鉄鉱石中の酸化鉄ともに）の還元性が良好であるため、還元材比が低下し安定的に操業可能であり、生産性も向上した。
【実施例２】
【００４１】
従来例として、高炉への原燃料の装入をコークスと鉄鉱石として、フェロコークスの装入を実施しない通常の操業を行った。この場合の高炉操業例を従来例として表１に併せて示す。従来例は、フェロコークスを使用しない場合の高炉操業であるため、本発明例よりも還元材比が高く、生産性も低いものである。
【００４２】
以上のように高炉におけるフェロコークスの使用は還元材比低減に大きな効果を発揮することが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態であり、コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順に原燃料を高炉内に堆積させた場合の層状構造の模式図である。
【図３】コークス、フェロコークス、鉄鉱石の順に原燃料を高炉内に積層堆積させた場合の層状構造の模式図である。
【図４】層構造の違いによる高炉内での高さ方向の温度分布を示す模式的なグラフ。
【符号の説明】
【００４４】
１ 高炉
２ 炉頂装入設備
３ ベルトコンベア
４ 貯留層（コークス）
５ 貯留層（フェロコークス）
６ 貯留層（鉄鉱石）
７ 鉄鉱石
８ フェロコークス
９ コークス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を成型して製造したフェロコークスと、コークスと、鉄鉱石とを高炉に装入する際に、コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番で装入し、該コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番での装入サイクルを繰り返し行うことを特徴とする高炉の操業方法。
【請求項２】
フェロコークスが、石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を加熱して熱間にて塊成型物に成型し、該塊成型物を加熱して塊成型物中の石炭を乾留して製造されたものであることを特徴とする、請求項１に記載の高炉の操業方法。
【請求項３】
フェロコークスの原料が、さらにバイオマスを含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高炉の操業方法。
【請求項４】
フェロコークスの原料がさらに廃プラスチックを含有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の高炉の操業方法。
【請求項１】
石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を成型して製造したフェロコークスと、コークスと、鉄鉱石とを高炉に装入する際に、コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番で装入し、該コークス、鉄鉱石、フェロコークスの順番での装入サイクルを繰り返し行うことを特徴とする高炉の操業方法。
【請求項２】
フェロコークスが、石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を加熱して熱間にて塊成型物に成型し、該塊成型物を加熱して塊成型物中の石炭を乾留して製造されたものであることを特徴とする、請求項１に記載の高炉の操業方法。
【請求項３】
フェロコークスの原料が、さらにバイオマスを含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高炉の操業方法。
【請求項４】
フェロコークスの原料がさらに廃プラスチックを含有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の高炉の操業方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−２８５９３（Ｐ２００６−２８５９３Ａ）
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２１０２０４（Ｐ２００４−２１０２０４）
【出願日】平成１６年７月１６日（２００４．７．１６）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月１６日（２００４．７．１６）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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