高炉操業方法
【課題】より一層の燃焼温度の向上及び還元材原単位の低減を可能とする高炉操業方法を提供する。
【解決手段】羽口から還元材を吹込むランスを二本以上用い、固体還元材として微粉炭を、易燃性還元材としてＬＮＧを用いる場合、ＬＮＧを吹込むランスの先端から延長した軸線と微粉炭を吹込むランスの先端から延長した軸線とが交差するようにランスを配置することにより、異なるランスから吹込まれるＬＮＧと微粉炭との主流が重なり、ＬＮＧがＯ２に接触して先に燃焼することで爆発的に拡散すると共に微粉炭の温度が大幅に上昇し、これにより燃焼温度が大幅に向上し、還元材原単位を低減することができる。また、微粉炭を吹込むランスに二重管ランスを用いた場合、内側管から微粉炭を、外側管から酸素を吹込むことで、微粉炭の燃焼に必要な酸素を確保でき、燃焼性がさらに向上する。また、ランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとしてランスの変形を防止する。
【解決手段】羽口から還元材を吹込むランスを二本以上用い、固体還元材として微粉炭を、易燃性還元材としてＬＮＧを用いる場合、ＬＮＧを吹込むランスの先端から延長した軸線と微粉炭を吹込むランスの先端から延長した軸線とが交差するようにランスを配置することにより、異なるランスから吹込まれるＬＮＧと微粉炭との主流が重なり、ＬＮＧがＯ２に接触して先に燃焼することで爆発的に拡散すると共に微粉炭の温度が大幅に上昇し、これにより燃焼温度が大幅に向上し、還元材原単位を低減することができる。また、微粉炭を吹込むランスに二重管ランスを用いた場合、内側管から微粉炭を、外側管から酸素を吹込むことで、微粉炭の燃焼に必要な酸素を確保でき、燃焼性がさらに向上する。また、ランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとしてランスの変形を防止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉羽口から微粉炭などの固体還元材と、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）などの易燃性還元材とを吹込んで、燃焼温度を上昇させることにより生産性の向上及び還元材原単位の低減を図る高炉の操業方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。これを受け、最近の高炉操業では、低還元材比（低ＲＡＲ：Reducing Agent Rateの略で、銑鉄１ｔ製造当たりの、羽口からの吹込み還元材と炉頂から装入されるコークスの合計量）操業が強力に推進されている。高炉は、主にコークス及び羽口から吹込む微粉炭を還元材として使用しており、低還元材比、ひいては炭酸ガス排出抑制を達成するためにはコークスなどを廃プラ、ＬＮＧ、重油等の水素含有率の高い還元材で置換する方策が有効である。下記特許文献１では、羽口から還元材を吹込むランスを二本以上用い、ＬＮＧなどの易燃性還元材と微粉炭などの固体還元材とを異なるランスから吹込む場合、易燃性還元材を吹込むランスの延長線と固体還元材を吹込むランスの延長線とが交差しないようにそれらのランスを配置することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９１２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１に記載される高炉操業方法も、従来の微粉炭だけを羽口から吹込む方法に比べれば、燃焼温度の向上や還元材原単位の低減に効果があるものの、更なる改良の余地がある。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、より一層の燃焼温度の向上及び還元材原単位の低減を可能とする高炉操業方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る高炉操業方法は、羽口から還元材を吹き込むためのランスを二本以上用い、固体還元材と易燃性還元材とを異なるランスから吹込む場合、固体還元材を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線と易燃性還元材を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線とが交差し且つ吹込まれる固体還元材の主流と吹込まれる易燃性還元材の主流とが重なるように固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスとを配置したことを特徴とするものである。
【０００６】
また、前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が２０ｍｍ以下で軸線が交差していることを特徴とするものである。
また、前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が１３ｍｍ以下で軸線が交差していることを特徴とするものである。
また、前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が１０ｍｍ以下で軸線が交差していることを特徴とするものである。
【０００７】
また、前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が０で軸線が交差していることを特徴とするものである。
また、前記ランスうち、固体還元材を吹込むランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとしたことを特徴とするものである。
また、前記固体還元材を吹込むランスを二重管ランスとし、当該二重管ランスの内側管から固体還元材を吹込むと共に当該二重管ランスの外側管から支燃性ガスを吹込み、易燃性還元材を単管ランスから吹込むことを特徴とするものである。
また、前記二重管ランスの外側管の出口流速及び前記単管ランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとしたことを特徴とするものである。
【０００８】
また、前記固体還元材が微粉炭であることを特徴とするものである。
また、前記固体還元材の微粉炭に、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材を混合することを特徴とするものである。
また、前記固体還元材の微粉炭の割合を８０ｍａｓｓ％以上として、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材を混合使用することを特徴とするものである。
また、前記易燃性還元材がＬＮＧ、都市ガス、水素、転炉ガス、高炉ガス、コークス炉ガスであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
而して、本発明の一態様に係る高炉操業方法によれば、異なるランスから吹込まれる易燃性還元材と固体還元材との流れが重なり、易燃性還元材がＯ2に接触して先に燃焼することで爆発的に拡散すると共に固体還元材が大幅に温度上昇し、これにより燃焼温度が大幅に向上し、もって還元材原単位を低減することができる。
また、ランスから吹込まれるガスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃ以上とすることにより、昇温によるランスの変形を防止することができる。
【００１０】
また、固体還元材を吹込むランスを二重管ランスとし、二重管ランスの内側管から固体還元材を吹込み、外側管から支燃性ガスを吹込むことにより、固体還元材の燃焼に必要な酸素を確保することができる。
また、二重管ランスの外側管の出口流速及び前記単管ランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとすることにより、昇温によるランスの変形を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の高炉操業方法が適用された高炉の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１のランスから微粉炭だけを吹込んだときの燃焼状態の説明図である。
【図３】図２の微粉炭の燃焼メカニズムの説明図である。
【図４】微粉炭とＬＮＧを吹込んだときの燃焼メカニズムの説明図である。
【図５】燃焼実験装置の説明図である。
【図６】燃焼実験結果の説明図である。
【図７】ランス同士の径方向の相対距離を変化させたときの着火点までの距離の説明図である。
【図８】二本のランスの径方向の相対距離が大きいときの微粉炭流及びＬＮＧ流の概念図である。
【図９】二本のランスの径方向の相対距離が小さいときの微粉炭流及びＬＮＧ流の概念図である。
【図１０】ランスの延長線が交差する場合としない場合の燃焼温度の説明図である。
【図１１】二重管ランスの延長線が交差する場合としない場合の燃焼温度の説明図である。
【図１２】ランスの出口流速とランス表面温度の関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の高炉操業方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の高炉操業方法が適用された高炉の全体図である。図に示すように、高炉１の羽口３には、熱風を送風するための送風管２が接続され、この送風管２を貫通してランス４が設置されている。羽口３の熱風送風方向先方のコークス堆積層には、レースウエイ５と呼ばれる燃焼空間が存在し、主として、この燃焼空間で鉄鉱石の還元、即ち造銑が行われる。
【００１３】
図２には、ランス４から固体還元材として微粉炭６だけを吹込んだときの燃焼状態を示す。ランス４から羽口３を通過し、レースウエイ５内に吹込まれた微粉炭６は、コークス７と共に、その揮発分と固定炭素が燃焼し、揮発分が放出されて残った、一般にチャーと呼ばれる炭素と灰分の集合体は、レースウエイから未燃チャー８として排出される。羽口３の熱風送風方向先方における熱風速度は約２００ｍ／ｓｅｃであり、ランス４の先端からレースウエイ５内におけるＯ２の存在領域は約０．３〜０．５ｍとされているので、実質的に１／１０００秒のレベルで微粉炭粒子の昇温及びＯ2との接触効率（分散性）の改善が必要となる。
【００１４】
図３は、ランス４から送風管２内に微粉炭（図ではＰＣ：Pulverized Coal）６のみを吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。羽口３からレースウエイ５内に吹込まれた微粉炭６は、レースウエイ５内の火炎からの輻射伝熱によって粒子が加熱し、更に輻射伝熱、伝導伝熱によって粒子が急激に温度上昇し、３００℃以上昇温した時点から熱分解が開始し、揮発分に着火して火炎が形成され、燃焼温度は１４００〜１７００℃に達する。揮発分が放出してしまうと、前述したチャー８となる。チャー８は、主に固定炭素であるので、燃焼反応と共に、炭素溶解反応と呼ばれる反応も生じる。
【００１５】
図４は、ランス４から送風管２内に微粉炭６と共に易燃性還元材としてＬＮＧ９を吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。微粉炭６とＬＮＧ９の吹込み方法は、単純に平行に吹込んだ場合を示している。なお、図中の二点鎖線は、図３に示した微粉炭のみを吹込んだ場合の燃焼温度を参考に示している。このように微粉炭とＬＮＧを同時に吹込む場合、気体ガスのＬＮＧが優先的に燃焼し、この燃焼熱によって微粉炭が急速に加熱、昇温すると考えられ、これによりランスに近い位置で燃焼温度が更に上昇する。
【００１６】
このような知見に基づき、図５に示す燃焼実験装置を用いて燃焼実験を行った。実験炉１１内にはコークスが充填されており、覗き窓からレースウエイ１５の内部を観察することができる。送風管１２にはランス１４が差し込まれ、燃焼バーナ１３で生じた熱風を実験炉１１内に所定の送風量で送風することができる。また、この送風管１２では、送風の酸素富化量を調整することも可能である。ランス１４は、微粉炭及びＬＮＧの何れか一方又は双方を送風管１２内に吹込むことができる。実験炉１１内で生じた排ガスは、サイクロンと呼ばれる分離装置１６で排ガスとダストに分離され、排ガスは助燃炉などの排ガス処理設備に送給され、ダストは捕集箱１７に捕集される。
【００１７】
燃焼実験には、ランス４に単管ランスと二重管ランスの二種類を用い、単管ランスを用いて微粉炭のみを吹込んだ場合、二重管ランスを用い、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、二重管ランスの外側管からＬＮＧを吹込んだ場合、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込み、二重管ランスの外側管から微粉炭を吹込んだ場合の夫々について覗き窓から２色温度計による燃焼温度、燃焼位置、未燃チャーの燃焼状況、拡散性を測定した。２色温度計は、周知のように、熱放射（高温物体から低温物体への電磁波の移動）を利用して温度計測を行う放射温度計であり、温度が高くなると波長分布が短波長側にずれていくことに着目して、波長分布の温度の変化を計測することで温度を求める波長分布形の一つであり、中でも波長分布を捉えるため、２つの波長における放射エネルギーを計測し、比率から温度を測定するものである。未燃チャーの燃焼状況は、実験炉１１の送風管１２内のランス１４先から１５０ｍｍ、３００ｍｍの位置にてプローブで未燃チャーを回収して、樹脂埋め、研磨後、画像解析によってチャー内空隙率を測定し、判定した。
【００１８】
微粉炭の諸元は、固定炭素（ＦＣ：Fixed Carbon）７７．８％、揮発分（ＶＭ：Volatile Matter）１３．６％、灰分（Ａｓｈ）８．６％で、吹込み条件は２９．８ｋｇ／ｈ（溶銑１ｔ当たり１００ｋｇに相当）とした。また、ＬＮＧの吹込み条件は、３．６ｋｇ／ｈ（５Ｎｍ3／ｈ、溶銑１ｔ当たり１０ｋｇに相当）とした。送風条件は、送風温度１２００℃、流量３００Ｎｍ3／ｈ、流速７０ｍ／ｓ、Ｏ2富化＋５．５（酸素濃度２６．５％、空気中酸素濃度２１％に対し、５．５％の富化）とした。少ないガス量で粉体、つまり微粉炭を輸送する方式（高濃度搬送）では固気比１０〜２５ｋｇ／Ｎｍ3、多量のガスで輸送する方式（低濃度輸送）では固気比５〜１０ｋｇ／Ｎｍ3である。搬送ガスには空気を用いることもできる。実験結果の評価は、単管から微粉炭のみを吹込んだ場合の燃焼温度、燃焼位置、未燃チャーの燃焼状況、拡散性（主として微粉炭）を基準とし、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管からＬＮＧを吹込んだ場合、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込み、外側管から微粉炭を吹込んだ場合の夫々を評価した。評価は、微粉炭のみの場合と同程度の場合を△、少し改善された場合を○、大幅に改善された場合を◎で表した。
【００１９】
図６には、前述した燃焼実験の結果を示す。同図から明らかなように、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管からＬＮＧを吹込む場合には、燃焼位置については改善が見られたが、その他の項目については変化が見られない。これは、微粉炭の外側のＬＮＧが先にＯ2と接触して速やかに燃焼し、その燃焼熱で微粉炭の加熱速度が上昇したものの、ＬＮＧの燃焼にＯ2が消費されてしまい、微粉炭の燃焼に必要なＯ2が減少して、十分な燃焼温度上昇に至らず、未燃チャーの燃焼状況も改善されなかったと考えられる。一方、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込み、外側管から微粉炭を吹込む場合には、燃焼温度、未燃チャーの燃焼状況について改善が見られ、拡散性については大幅な改善が見られたものの、燃焼位置については変化が見られない。これは、外側の微粉炭領域を通じた内側のＬＮＧまでのＯ2の拡散に時間を要したものの、内側の易燃性のＬＮＧが燃焼すれば、爆発的な拡散が生じ、ＬＮＧの燃焼熱で微粉炭が加熱されて燃焼温度も上昇し、未燃チャーの燃焼状況も改善されたものと考えられる。
【００２０】
本願発明者は、この実験結果を踏まえて、前述の燃焼実験装置を用い、羽口送風管内に二本の単管ランスを互いに対向する側、例えば炉内側に向けて上下から差し込み、一方のランスからは微粉炭を、他方のランスからはＬＮＧを吹込み、二本のランスの径方向の相対距離を種々に変更して微粉炭吹込みランスから着火点までの距離を測定した。送風には酸素を富化した。測定結果を図７に示す。図の下部の円は、送風管内を送風方向手前側から見たランスの状態を示している。二本のランスの径方向の相対距離とは、図の符号Ｄに相当する。
【００２１】
図８には、二本のランスの径方向の相対距離Ｄが大きいときの微粉炭流及びＬＮＧ流の概念図を、図９には、二本のランスの径方向の相対距離Ｄが小さいときの微粉炭流及びＬＮＧ流の概念図を示す。二本のランスの径方向の相対距離Ｄが小さくランス同士が接近すると、二本のランスから吹込まれる微粉炭とＬＮＧの主流が重なり始め、微粉炭流がＬＮＧの燃焼場に直接包まれる。その結果、ＬＮＧの燃焼高温領域で微粉炭は急速に昇温され、また着火燃焼するため、着火時間が短くなる現象を生じる。
【００２２】
図７から明らかなように、二本のランスの径方向の相対距離Ｄが小さいほど、微粉炭を吹込むランス（図ではＰＣランス）先端から着火点までの距離が小さい、即ち燃焼開始時間が短くなるのである。これは、二本のランスの径方向の相対距離が小さいほど、吹込まれる微粉炭の主流とＬＮＧの主流とが重なり易く、その重なる部分で、前述のようなＬＮＧの燃焼に伴う拡散や温度上昇が発生し、微粉炭が燃焼し易くなるものと考えられる。更に、燃焼開始時間が短ければ、燃焼温度も高くなると考えられた。
【００２３】
この二本のランスの径方向の相対距離短縮に伴う着火時間短縮のためには、微粉炭を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線とＬＮＧを吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線とが交差する必要があるが、完全交差の必要はなく、二本のランスの径方向の相対距離Ｄで見るとき、微粉炭を吹込むランスの軸線とＬＮＧを吹込むランスの軸線の相対距離Ｄが２０ｍｍ以内であれば着火時間短縮を図ることができる。また、好ましくは相対距離Ｄを１３ｍｍ以内、より好ましくは相対距離Ｄを１０ｍｍ以内とすることにより、着火時間短縮のほか、バラツキも低下できる。そして、二本のランスの径方向の相対距離が０になると、ランスの延長線、つまりランス先端から延長した当該ランスの軸線同士が完全に交差し、そのとき着火時間が最短となる。
【００２４】
また、ＬＮＧを吹込むランスを、微粉炭を吹込むランスより炉側（図のＬＮＧ炉側）、つまり送風方向先方に配置しても着火時間が短くなる現象を生じるが、ＬＮＧを吹込むランスと微粉炭を吹込むランスの吹込み先端位置を一致（図の先端合わせ）させた場合、更にＬＮＧを吹込むランスの先端位置が微粉炭を吹込むランスの先端位置より送風側（図のＬＮＧ送風側）、つまり送風方向手前側に配置した場合、即ち微粉炭を吹込むランスがＬＮＧを吹込むランスより送風方向先方にあるときが、より着火時間が短縮される結果を得た。即ち、ＬＮＧを吹込むランスと微粉炭を吹込むランスの吹込み先端位置が送風方向で一致、或いはＬＮＧを吹込むランスの先端位置が、微粉炭を吹込むランスの先端位置より送風方向手前側にあるとき、始めに吹込まれたＬＮＧの燃焼主流内に微粉炭が吹込まれることになり、ＬＮＧの燃焼主流内の高温場により吹込まれた微粉炭は急速に昇温し、着火時間短縮が実現されるのである。
【００２５】
そこで、次にランスに単管ランスを用い、二本のランスの延長線が交差しない状態で二本のランスから微粉炭のみを吹込んだ場合、同じく二本のランスの延長線が交差しない状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合、二本のランスの延長線が２０ｍｍ以下で交差する状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合の夫々のランス先端からの距離と燃焼温度を測定した。測定結果を図１０に示す。図のＰＣ偏芯ダブルが二本のランスの延長線が交差しない状態で二本のランスから微粉炭のみを吹込んだ場合を示し、ＰＣ，ＬＮＧ偏芯が二本のランスの延長線が交差しない状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合を示し、ＰＣ，ＬＮＧ同軸が二本のランスの延長線が交差する状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合を示す。同図から明らかなように、二本のランスの延長線が交差する状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合の燃焼温度が最も高い。
【００２６】
更に、微粉炭の燃焼効率を向上するため、微粉炭を吹込むランスに二重管ランスも用い、二重管ランスを用いる場合は、その二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管から支燃性ガスとしてＯ2を吹込んで、微粉炭吹込み用二重管ランス先端からの距離と燃焼温度を測定した。ＬＮＧは単管ランスから吹込んだ。微粉炭のみを吹込む場合も単管ランスを用いた。測定結果を図１１に示す。図のＰＣ×２（交差せず）は、二本の単管ランスの延長線が交差しない状態で二本のランスから微粉炭のみを吹込んだ場合を示す。また、図のＰＣ，ＬＮＧ（交差せず）は、二本の単管ランスの延長線が交差しない状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合を示す。また、図のＰＣ，ＬＮＧ（交差）は、二本の単管ランスの延長線が交差する状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合を示す。また、図のＰＣ＋Ｏ2，ＬＮＧ（交差）は、二重管ランスの延長線と単管ランスの延長線が交差する状態で二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、その外側管からＯ2を吹込み、単管ランスからＬＮＧを吹込んだ場合を示す。同図から明らかなように、二本のランスの延長線が交差する状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合の燃焼温度が高く、二本のランスの延長線が交差する状態で二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、その外側管からＯ2を吹込み、他方の単管ランスからＬＮＧを吹込んだ場合が最も高い。これは、先に燃焼するＬＮＧで消費される送風中のＯ2を補って、微粉炭の燃焼に必要なＯ2を確保するためであると考えられる。
【００２７】
ところで、前述のような燃焼温度の上昇に伴って、ランスは高温に晒され易くなる。ランスは、例えばステンレス鋼鋼管で構成される。勿論、ランスには所謂ウォータージャケットと呼ばれる水冷が施されているが、ランス先端までは覆うことができない。特に、この水冷の及ばないランスの先端部が熱で変形し易いことが分かった。また、ＬＮＧを吹込むランス先端が微粉炭を吹込むランス先端より送風方向手前側（送風側）にあるとき、微粉炭を吹込むランス先端は、ＬＮＧの燃焼高温領域に入るため、よりランスが変形し易くなる。ランスが変形する、つまり曲がると所望部位に微粉炭やＬＮＧを吹込むことができないし、消耗品であるランスの交換作業に支障がある。また、微粉炭の流れが変化して羽口に当たることも考えられ、そのような場合には羽口が損傷する恐れがある。ランスが曲がって閉塞され、その結果、ランス内のガスが流れなくなると、ランスが溶損し、場合によっては送風管が破損する可能性もある。ランスが変形したり損耗したりすると、前述のような燃焼温度を確保することができなくなり、ひいては還元材原単位を低減することもできない。
【００２８】
水冷できないランスを冷却するためには、内部に送給されるガスで放熱するしかない。内部に流れるガスに放熱してランス自体を冷却する場合、ガスの流速がランス温度に影響を与えると考えられる。そこで、本発明者等は、ランスから吹込まれるガスの流速を種々に変更してランス表面の温度を測定した。実験には二重管ランスを用い、二重管ランスの外側管からＯ２を吹込み、内側管から微粉炭を吹込んで行い、ガスの流速調整は、外側管から吹込まれるＯ２の供給量を加減した。なお、Ｏ２は、酸素富化空気でもよく、２％以上、好ましくは１０％以上の酸素富化空気を使用する。酸素富化空気を使用することによって、冷却の他、微粉炭の燃焼性の向上を図る。測定結果を図１２に示す。
【００２９】
二重管ランスの外側管には、２０Ａスケジュール５Ｓと呼ばれる鋼管を用いた。また、二重管ランスの内側管には、１５Ａスケジュール９０と呼ばれる鋼管を用い、外側管から吹込まれるＯ２とＮ２の合計流速を種々に変更してランス表面の温度を測定した。ちなみに、「１５Ａ」、「２０Ａ」はＪＩＳ Ｇ ３４５９に規定する鋼管外径の称呼寸法であり、１５Ａは外径２１．７ｍｍ、２０Ａは外径２７．２ｍｍである。また、「スケジュール」はＪＩＳ Ｇ ３４５９に規定する鋼管の肉厚の称呼寸法であり、２０Ａスケジュール５Ｓは１．６５ｍｍ、１５Ａスケジュール９０は３．７０ｍｍである。なお、ステンレス鋼鋼管の他、普通鋼も利用できる。その場合の鋼管の外径はＪＩＳ Ｇ ３４５２に規定され、肉厚はＪＩＳ Ｇ ３４５４に規定される。
【００３０】
同図に二点鎖線で示すように、二重管ランスの外側管から吹込まれるガスの流速の増加に伴ってランス表面の温度が反比例的に低下している。鋼管を二重管ランスに使用する場合、二重管ランスの表面温度が８８０℃を上回るとクリープ変形が起こり、二重管ランスが曲がってしまう。従って、二重管ランスの外側管に２０Ａスケジュール５Ｓの鋼管を用い、二重管ランスの表面温度が８８０℃以下である場合の二重管ランスの外側管の出口流速は２０ｍ／ｓｅｃ以上となる。そして、二重管ランスの外側管の出口流速が２０ｍ／ｓｅｃ以上である場合には二重管ランスに変形や曲がりは生じない。一方、二重管ランスの外側管の出口流速が１２０ｍ／ｓｅｃを超えたりすると、設備の運用コストの点で実用的でないので、二重管ランスの外側管の出口流速の上限を１２０ｍ／ｓｅｃとした。この結果は、同じく水冷の及ばない単管ランスの先端部でも同様に作用するため、単管ランスの出口流速も２０〜１２０ｍ／ｓｅｃと規定した。なお、単管ランスは二重管ランスに比べて熱負荷が少ないため、必要に応じ、出口流速を２０ｍ／ｓｅｃ以上とすればよい。
【００３１】
前記実施形態では、微粉炭の平均粒子径は１０〜１００μｍで使用されるが、燃焼性を確保し、ランスからの送給並びにランスまでの供給性を考慮したとき、好ましくは２０〜５０μｍとするとよい。微粉炭の平均粒子径が２０μｍ未満では、燃焼性は優れるが、微粉炭輸送時（気体輸送）にランスが詰まり易く、５０μｍを超えると微粉炭燃焼性が悪化する恐れがある。
【００３２】
また、吹込む固体還元材には、微粉炭を主として、その中に廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材を混合使用してもよい。混合使用の際は、微粉炭の全固体還元材に対する比は８０ｍａｓｓ％以上とするのが好ましい。即ち、微粉炭と、廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材などでは反応による熱量が異なるため、互いの使用比率が近くなると燃焼に偏りが生じ易くなり、操業の不安定となり易い。また、微粉炭と比して、廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材等は燃焼反応による発熱量が低位であるため、多量に吹込むと炉頂より装入される固体還元材に対する代替効率が低下するため、微粉炭の割合を８０ｍａｓｓ％以上とするのが好ましいのである。
【００３３】
なお、廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材は、６ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以下の細粒として微粉炭と混合使用できる。微粉炭との割合は、搬送ガスにより気送される微粉炭と合流させることで混合可能である。予め微粉炭と混合して使用しても構わない。
更に、前記実施形態では、易燃性還元材としてＬＮＧを用いて説明したが、都市ガスも使用可能であり、他の易燃性還元材としては、都市ガス、ＬＮＧ以外に、プロパンガス、水素の他、製鉄所で発生する転炉ガス、高炉ガス、コークス炉ガスを用いることもできる。なお、ＬＮＧと等価としてシェールガス（shale gas）も利用できる。シェールガスは頁岩（シェール）層から採取される天然ガスであり、従来のガス田ではない場所から生産されることから、非在来型天然ガス資源と呼ばれているものである。
【００３４】
このように、本実施形態の高炉操業方法では、羽口から還元材を吹込むランスを二本以上用い、ＬＮＧ（易燃性還元材）を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線と微粉炭（固体還元材）を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線とが交差するようにランスを配置したため、異なるランスから吹込まれるＬＮＧ（易燃性還元材）と微粉炭（固体還元材）との主流が重なり、ＬＮＧ（易燃性還元材）がＯ2に接触して先に燃焼することで爆発的に拡散すると共に微粉炭（固体還元材）の温度が大幅に上昇し、これにより燃焼温度が大幅に向上し、もって還元材原単位を低減することができる。
【００３５】
また、ランスのうち、微粉炭（固体還元材）を吹込むランスから吹込まれるガスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃ以上とすることにより、昇温によるランスの変形を防止することができる。
また、微粉炭（固体還元材）を吹込むランスを二重管ランスとし、二重管ランスの内側管から微粉炭（固体還元材）を吹込み、外側管から酸素（支燃性ガス）を吹込むことにより、固体還元材の燃焼に必要な酸素を確保することができる。
また、二重管ランスの外側管の出口流速及び前記単管ランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとすることにより、昇温によるランスの変形を防止することができる。
【００３６】
なお、前記実施形態では、還元材を吹込むランスを二本使用したが、ランスは二本以上であれば何本用いてもよい。また、ランスには二重管ランスを用いてもよい。二重管ランスを用いる場合には、酸素などの支燃性ガスと易燃性還元材とを吹込むようにしてもよい。必要なのは、そのうちの易燃性還元材を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線と、固体還元材を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線とが交差し且つ吹込まれる易燃性還元材の主流と固体還元材の主流とが重なるようにランスを配置することである。
【符号の説明】
【００３７】
１は高炉、２は送風管、３は羽口、４はランス、５はレースウエイ、６は微粉炭（固体還元材）、７はコークス、８はチャー、９はＬＮＧ（易燃性還元材）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉羽口から微粉炭などの固体還元材と、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）などの易燃性還元材とを吹込んで、燃焼温度を上昇させることにより生産性の向上及び還元材原単位の低減を図る高炉の操業方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。これを受け、最近の高炉操業では、低還元材比（低ＲＡＲ：Reducing Agent Rateの略で、銑鉄１ｔ製造当たりの、羽口からの吹込み還元材と炉頂から装入されるコークスの合計量）操業が強力に推進されている。高炉は、主にコークス及び羽口から吹込む微粉炭を還元材として使用しており、低還元材比、ひいては炭酸ガス排出抑制を達成するためにはコークスなどを廃プラ、ＬＮＧ、重油等の水素含有率の高い還元材で置換する方策が有効である。下記特許文献１では、羽口から還元材を吹込むランスを二本以上用い、ＬＮＧなどの易燃性還元材と微粉炭などの固体還元材とを異なるランスから吹込む場合、易燃性還元材を吹込むランスの延長線と固体還元材を吹込むランスの延長線とが交差しないようにそれらのランスを配置することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９１２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１に記載される高炉操業方法も、従来の微粉炭だけを羽口から吹込む方法に比べれば、燃焼温度の向上や還元材原単位の低減に効果があるものの、更なる改良の余地がある。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、より一層の燃焼温度の向上及び還元材原単位の低減を可能とする高炉操業方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る高炉操業方法は、羽口から還元材を吹き込むためのランスを二本以上用い、固体還元材と易燃性還元材とを異なるランスから吹込む場合、固体還元材を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線と易燃性還元材を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線とが交差し且つ吹込まれる固体還元材の主流と吹込まれる易燃性還元材の主流とが重なるように固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスとを配置したことを特徴とするものである。
【０００６】
また、前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が２０ｍｍ以下で軸線が交差していることを特徴とするものである。
また、前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が１３ｍｍ以下で軸線が交差していることを特徴とするものである。
また、前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が１０ｍｍ以下で軸線が交差していることを特徴とするものである。
【０００７】
また、前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が０で軸線が交差していることを特徴とするものである。
また、前記ランスうち、固体還元材を吹込むランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとしたことを特徴とするものである。
また、前記固体還元材を吹込むランスを二重管ランスとし、当該二重管ランスの内側管から固体還元材を吹込むと共に当該二重管ランスの外側管から支燃性ガスを吹込み、易燃性還元材を単管ランスから吹込むことを特徴とするものである。
また、前記二重管ランスの外側管の出口流速及び前記単管ランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとしたことを特徴とするものである。
【０００８】
また、前記固体還元材が微粉炭であることを特徴とするものである。
また、前記固体還元材の微粉炭に、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材を混合することを特徴とするものである。
また、前記固体還元材の微粉炭の割合を８０ｍａｓｓ％以上として、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材を混合使用することを特徴とするものである。
また、前記易燃性還元材がＬＮＧ、都市ガス、水素、転炉ガス、高炉ガス、コークス炉ガスであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
而して、本発明の一態様に係る高炉操業方法によれば、異なるランスから吹込まれる易燃性還元材と固体還元材との流れが重なり、易燃性還元材がＯ2に接触して先に燃焼することで爆発的に拡散すると共に固体還元材が大幅に温度上昇し、これにより燃焼温度が大幅に向上し、もって還元材原単位を低減することができる。
また、ランスから吹込まれるガスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃ以上とすることにより、昇温によるランスの変形を防止することができる。
【００１０】
また、固体還元材を吹込むランスを二重管ランスとし、二重管ランスの内側管から固体還元材を吹込み、外側管から支燃性ガスを吹込むことにより、固体還元材の燃焼に必要な酸素を確保することができる。
また、二重管ランスの外側管の出口流速及び前記単管ランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとすることにより、昇温によるランスの変形を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の高炉操業方法が適用された高炉の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１のランスから微粉炭だけを吹込んだときの燃焼状態の説明図である。
【図３】図２の微粉炭の燃焼メカニズムの説明図である。
【図４】微粉炭とＬＮＧを吹込んだときの燃焼メカニズムの説明図である。
【図５】燃焼実験装置の説明図である。
【図６】燃焼実験結果の説明図である。
【図７】ランス同士の径方向の相対距離を変化させたときの着火点までの距離の説明図である。
【図８】二本のランスの径方向の相対距離が大きいときの微粉炭流及びＬＮＧ流の概念図である。
【図９】二本のランスの径方向の相対距離が小さいときの微粉炭流及びＬＮＧ流の概念図である。
【図１０】ランスの延長線が交差する場合としない場合の燃焼温度の説明図である。
【図１１】二重管ランスの延長線が交差する場合としない場合の燃焼温度の説明図である。
【図１２】ランスの出口流速とランス表面温度の関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の高炉操業方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の高炉操業方法が適用された高炉の全体図である。図に示すように、高炉１の羽口３には、熱風を送風するための送風管２が接続され、この送風管２を貫通してランス４が設置されている。羽口３の熱風送風方向先方のコークス堆積層には、レースウエイ５と呼ばれる燃焼空間が存在し、主として、この燃焼空間で鉄鉱石の還元、即ち造銑が行われる。
【００１３】
図２には、ランス４から固体還元材として微粉炭６だけを吹込んだときの燃焼状態を示す。ランス４から羽口３を通過し、レースウエイ５内に吹込まれた微粉炭６は、コークス７と共に、その揮発分と固定炭素が燃焼し、揮発分が放出されて残った、一般にチャーと呼ばれる炭素と灰分の集合体は、レースウエイから未燃チャー８として排出される。羽口３の熱風送風方向先方における熱風速度は約２００ｍ／ｓｅｃであり、ランス４の先端からレースウエイ５内におけるＯ２の存在領域は約０．３〜０．５ｍとされているので、実質的に１／１０００秒のレベルで微粉炭粒子の昇温及びＯ2との接触効率（分散性）の改善が必要となる。
【００１４】
図３は、ランス４から送風管２内に微粉炭（図ではＰＣ：Pulverized Coal）６のみを吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。羽口３からレースウエイ５内に吹込まれた微粉炭６は、レースウエイ５内の火炎からの輻射伝熱によって粒子が加熱し、更に輻射伝熱、伝導伝熱によって粒子が急激に温度上昇し、３００℃以上昇温した時点から熱分解が開始し、揮発分に着火して火炎が形成され、燃焼温度は１４００〜１７００℃に達する。揮発分が放出してしまうと、前述したチャー８となる。チャー８は、主に固定炭素であるので、燃焼反応と共に、炭素溶解反応と呼ばれる反応も生じる。
【００１５】
図４は、ランス４から送風管２内に微粉炭６と共に易燃性還元材としてＬＮＧ９を吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。微粉炭６とＬＮＧ９の吹込み方法は、単純に平行に吹込んだ場合を示している。なお、図中の二点鎖線は、図３に示した微粉炭のみを吹込んだ場合の燃焼温度を参考に示している。このように微粉炭とＬＮＧを同時に吹込む場合、気体ガスのＬＮＧが優先的に燃焼し、この燃焼熱によって微粉炭が急速に加熱、昇温すると考えられ、これによりランスに近い位置で燃焼温度が更に上昇する。
【００１６】
このような知見に基づき、図５に示す燃焼実験装置を用いて燃焼実験を行った。実験炉１１内にはコークスが充填されており、覗き窓からレースウエイ１５の内部を観察することができる。送風管１２にはランス１４が差し込まれ、燃焼バーナ１３で生じた熱風を実験炉１１内に所定の送風量で送風することができる。また、この送風管１２では、送風の酸素富化量を調整することも可能である。ランス１４は、微粉炭及びＬＮＧの何れか一方又は双方を送風管１２内に吹込むことができる。実験炉１１内で生じた排ガスは、サイクロンと呼ばれる分離装置１６で排ガスとダストに分離され、排ガスは助燃炉などの排ガス処理設備に送給され、ダストは捕集箱１７に捕集される。
【００１７】
燃焼実験には、ランス４に単管ランスと二重管ランスの二種類を用い、単管ランスを用いて微粉炭のみを吹込んだ場合、二重管ランスを用い、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、二重管ランスの外側管からＬＮＧを吹込んだ場合、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込み、二重管ランスの外側管から微粉炭を吹込んだ場合の夫々について覗き窓から２色温度計による燃焼温度、燃焼位置、未燃チャーの燃焼状況、拡散性を測定した。２色温度計は、周知のように、熱放射（高温物体から低温物体への電磁波の移動）を利用して温度計測を行う放射温度計であり、温度が高くなると波長分布が短波長側にずれていくことに着目して、波長分布の温度の変化を計測することで温度を求める波長分布形の一つであり、中でも波長分布を捉えるため、２つの波長における放射エネルギーを計測し、比率から温度を測定するものである。未燃チャーの燃焼状況は、実験炉１１の送風管１２内のランス１４先から１５０ｍｍ、３００ｍｍの位置にてプローブで未燃チャーを回収して、樹脂埋め、研磨後、画像解析によってチャー内空隙率を測定し、判定した。
【００１８】
微粉炭の諸元は、固定炭素（ＦＣ：Fixed Carbon）７７．８％、揮発分（ＶＭ：Volatile Matter）１３．６％、灰分（Ａｓｈ）８．６％で、吹込み条件は２９．８ｋｇ／ｈ（溶銑１ｔ当たり１００ｋｇに相当）とした。また、ＬＮＧの吹込み条件は、３．６ｋｇ／ｈ（５Ｎｍ3／ｈ、溶銑１ｔ当たり１０ｋｇに相当）とした。送風条件は、送風温度１２００℃、流量３００Ｎｍ3／ｈ、流速７０ｍ／ｓ、Ｏ2富化＋５．５（酸素濃度２６．５％、空気中酸素濃度２１％に対し、５．５％の富化）とした。少ないガス量で粉体、つまり微粉炭を輸送する方式（高濃度搬送）では固気比１０〜２５ｋｇ／Ｎｍ3、多量のガスで輸送する方式（低濃度輸送）では固気比５〜１０ｋｇ／Ｎｍ3である。搬送ガスには空気を用いることもできる。実験結果の評価は、単管から微粉炭のみを吹込んだ場合の燃焼温度、燃焼位置、未燃チャーの燃焼状況、拡散性（主として微粉炭）を基準とし、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管からＬＮＧを吹込んだ場合、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込み、外側管から微粉炭を吹込んだ場合の夫々を評価した。評価は、微粉炭のみの場合と同程度の場合を△、少し改善された場合を○、大幅に改善された場合を◎で表した。
【００１９】
図６には、前述した燃焼実験の結果を示す。同図から明らかなように、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管からＬＮＧを吹込む場合には、燃焼位置については改善が見られたが、その他の項目については変化が見られない。これは、微粉炭の外側のＬＮＧが先にＯ2と接触して速やかに燃焼し、その燃焼熱で微粉炭の加熱速度が上昇したものの、ＬＮＧの燃焼にＯ2が消費されてしまい、微粉炭の燃焼に必要なＯ2が減少して、十分な燃焼温度上昇に至らず、未燃チャーの燃焼状況も改善されなかったと考えられる。一方、二重管ランスの内側管からＬＮＧを吹込み、外側管から微粉炭を吹込む場合には、燃焼温度、未燃チャーの燃焼状況について改善が見られ、拡散性については大幅な改善が見られたものの、燃焼位置については変化が見られない。これは、外側の微粉炭領域を通じた内側のＬＮＧまでのＯ2の拡散に時間を要したものの、内側の易燃性のＬＮＧが燃焼すれば、爆発的な拡散が生じ、ＬＮＧの燃焼熱で微粉炭が加熱されて燃焼温度も上昇し、未燃チャーの燃焼状況も改善されたものと考えられる。
【００２０】
本願発明者は、この実験結果を踏まえて、前述の燃焼実験装置を用い、羽口送風管内に二本の単管ランスを互いに対向する側、例えば炉内側に向けて上下から差し込み、一方のランスからは微粉炭を、他方のランスからはＬＮＧを吹込み、二本のランスの径方向の相対距離を種々に変更して微粉炭吹込みランスから着火点までの距離を測定した。送風には酸素を富化した。測定結果を図７に示す。図の下部の円は、送風管内を送風方向手前側から見たランスの状態を示している。二本のランスの径方向の相対距離とは、図の符号Ｄに相当する。
【００２１】
図８には、二本のランスの径方向の相対距離Ｄが大きいときの微粉炭流及びＬＮＧ流の概念図を、図９には、二本のランスの径方向の相対距離Ｄが小さいときの微粉炭流及びＬＮＧ流の概念図を示す。二本のランスの径方向の相対距離Ｄが小さくランス同士が接近すると、二本のランスから吹込まれる微粉炭とＬＮＧの主流が重なり始め、微粉炭流がＬＮＧの燃焼場に直接包まれる。その結果、ＬＮＧの燃焼高温領域で微粉炭は急速に昇温され、また着火燃焼するため、着火時間が短くなる現象を生じる。
【００２２】
図７から明らかなように、二本のランスの径方向の相対距離Ｄが小さいほど、微粉炭を吹込むランス（図ではＰＣランス）先端から着火点までの距離が小さい、即ち燃焼開始時間が短くなるのである。これは、二本のランスの径方向の相対距離が小さいほど、吹込まれる微粉炭の主流とＬＮＧの主流とが重なり易く、その重なる部分で、前述のようなＬＮＧの燃焼に伴う拡散や温度上昇が発生し、微粉炭が燃焼し易くなるものと考えられる。更に、燃焼開始時間が短ければ、燃焼温度も高くなると考えられた。
【００２３】
この二本のランスの径方向の相対距離短縮に伴う着火時間短縮のためには、微粉炭を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線とＬＮＧを吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線とが交差する必要があるが、完全交差の必要はなく、二本のランスの径方向の相対距離Ｄで見るとき、微粉炭を吹込むランスの軸線とＬＮＧを吹込むランスの軸線の相対距離Ｄが２０ｍｍ以内であれば着火時間短縮を図ることができる。また、好ましくは相対距離Ｄを１３ｍｍ以内、より好ましくは相対距離Ｄを１０ｍｍ以内とすることにより、着火時間短縮のほか、バラツキも低下できる。そして、二本のランスの径方向の相対距離が０になると、ランスの延長線、つまりランス先端から延長した当該ランスの軸線同士が完全に交差し、そのとき着火時間が最短となる。
【００２４】
また、ＬＮＧを吹込むランスを、微粉炭を吹込むランスより炉側（図のＬＮＧ炉側）、つまり送風方向先方に配置しても着火時間が短くなる現象を生じるが、ＬＮＧを吹込むランスと微粉炭を吹込むランスの吹込み先端位置を一致（図の先端合わせ）させた場合、更にＬＮＧを吹込むランスの先端位置が微粉炭を吹込むランスの先端位置より送風側（図のＬＮＧ送風側）、つまり送風方向手前側に配置した場合、即ち微粉炭を吹込むランスがＬＮＧを吹込むランスより送風方向先方にあるときが、より着火時間が短縮される結果を得た。即ち、ＬＮＧを吹込むランスと微粉炭を吹込むランスの吹込み先端位置が送風方向で一致、或いはＬＮＧを吹込むランスの先端位置が、微粉炭を吹込むランスの先端位置より送風方向手前側にあるとき、始めに吹込まれたＬＮＧの燃焼主流内に微粉炭が吹込まれることになり、ＬＮＧの燃焼主流内の高温場により吹込まれた微粉炭は急速に昇温し、着火時間短縮が実現されるのである。
【００２５】
そこで、次にランスに単管ランスを用い、二本のランスの延長線が交差しない状態で二本のランスから微粉炭のみを吹込んだ場合、同じく二本のランスの延長線が交差しない状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合、二本のランスの延長線が２０ｍｍ以下で交差する状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合の夫々のランス先端からの距離と燃焼温度を測定した。測定結果を図１０に示す。図のＰＣ偏芯ダブルが二本のランスの延長線が交差しない状態で二本のランスから微粉炭のみを吹込んだ場合を示し、ＰＣ，ＬＮＧ偏芯が二本のランスの延長線が交差しない状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合を示し、ＰＣ，ＬＮＧ同軸が二本のランスの延長線が交差する状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合を示す。同図から明らかなように、二本のランスの延長線が交差する状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合の燃焼温度が最も高い。
【００２６】
更に、微粉炭の燃焼効率を向上するため、微粉炭を吹込むランスに二重管ランスも用い、二重管ランスを用いる場合は、その二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管から支燃性ガスとしてＯ2を吹込んで、微粉炭吹込み用二重管ランス先端からの距離と燃焼温度を測定した。ＬＮＧは単管ランスから吹込んだ。微粉炭のみを吹込む場合も単管ランスを用いた。測定結果を図１１に示す。図のＰＣ×２（交差せず）は、二本の単管ランスの延長線が交差しない状態で二本のランスから微粉炭のみを吹込んだ場合を示す。また、図のＰＣ，ＬＮＧ（交差せず）は、二本の単管ランスの延長線が交差しない状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合を示す。また、図のＰＣ，ＬＮＧ（交差）は、二本の単管ランスの延長線が交差する状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合を示す。また、図のＰＣ＋Ｏ2，ＬＮＧ（交差）は、二重管ランスの延長線と単管ランスの延長線が交差する状態で二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、その外側管からＯ2を吹込み、単管ランスからＬＮＧを吹込んだ場合を示す。同図から明らかなように、二本のランスの延長線が交差する状態で一方のランスから微粉炭を吹込み、他方のランスからＬＮＧを吹込んだ場合の燃焼温度が高く、二本のランスの延長線が交差する状態で二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、その外側管からＯ2を吹込み、他方の単管ランスからＬＮＧを吹込んだ場合が最も高い。これは、先に燃焼するＬＮＧで消費される送風中のＯ2を補って、微粉炭の燃焼に必要なＯ2を確保するためであると考えられる。
【００２７】
ところで、前述のような燃焼温度の上昇に伴って、ランスは高温に晒され易くなる。ランスは、例えばステンレス鋼鋼管で構成される。勿論、ランスには所謂ウォータージャケットと呼ばれる水冷が施されているが、ランス先端までは覆うことができない。特に、この水冷の及ばないランスの先端部が熱で変形し易いことが分かった。また、ＬＮＧを吹込むランス先端が微粉炭を吹込むランス先端より送風方向手前側（送風側）にあるとき、微粉炭を吹込むランス先端は、ＬＮＧの燃焼高温領域に入るため、よりランスが変形し易くなる。ランスが変形する、つまり曲がると所望部位に微粉炭やＬＮＧを吹込むことができないし、消耗品であるランスの交換作業に支障がある。また、微粉炭の流れが変化して羽口に当たることも考えられ、そのような場合には羽口が損傷する恐れがある。ランスが曲がって閉塞され、その結果、ランス内のガスが流れなくなると、ランスが溶損し、場合によっては送風管が破損する可能性もある。ランスが変形したり損耗したりすると、前述のような燃焼温度を確保することができなくなり、ひいては還元材原単位を低減することもできない。
【００２８】
水冷できないランスを冷却するためには、内部に送給されるガスで放熱するしかない。内部に流れるガスに放熱してランス自体を冷却する場合、ガスの流速がランス温度に影響を与えると考えられる。そこで、本発明者等は、ランスから吹込まれるガスの流速を種々に変更してランス表面の温度を測定した。実験には二重管ランスを用い、二重管ランスの外側管からＯ２を吹込み、内側管から微粉炭を吹込んで行い、ガスの流速調整は、外側管から吹込まれるＯ２の供給量を加減した。なお、Ｏ２は、酸素富化空気でもよく、２％以上、好ましくは１０％以上の酸素富化空気を使用する。酸素富化空気を使用することによって、冷却の他、微粉炭の燃焼性の向上を図る。測定結果を図１２に示す。
【００２９】
二重管ランスの外側管には、２０Ａスケジュール５Ｓと呼ばれる鋼管を用いた。また、二重管ランスの内側管には、１５Ａスケジュール９０と呼ばれる鋼管を用い、外側管から吹込まれるＯ２とＮ２の合計流速を種々に変更してランス表面の温度を測定した。ちなみに、「１５Ａ」、「２０Ａ」はＪＩＳ Ｇ ３４５９に規定する鋼管外径の称呼寸法であり、１５Ａは外径２１．７ｍｍ、２０Ａは外径２７．２ｍｍである。また、「スケジュール」はＪＩＳ Ｇ ３４５９に規定する鋼管の肉厚の称呼寸法であり、２０Ａスケジュール５Ｓは１．６５ｍｍ、１５Ａスケジュール９０は３．７０ｍｍである。なお、ステンレス鋼鋼管の他、普通鋼も利用できる。その場合の鋼管の外径はＪＩＳ Ｇ ３４５２に規定され、肉厚はＪＩＳ Ｇ ３４５４に規定される。
【００３０】
同図に二点鎖線で示すように、二重管ランスの外側管から吹込まれるガスの流速の増加に伴ってランス表面の温度が反比例的に低下している。鋼管を二重管ランスに使用する場合、二重管ランスの表面温度が８８０℃を上回るとクリープ変形が起こり、二重管ランスが曲がってしまう。従って、二重管ランスの外側管に２０Ａスケジュール５Ｓの鋼管を用い、二重管ランスの表面温度が８８０℃以下である場合の二重管ランスの外側管の出口流速は２０ｍ／ｓｅｃ以上となる。そして、二重管ランスの外側管の出口流速が２０ｍ／ｓｅｃ以上である場合には二重管ランスに変形や曲がりは生じない。一方、二重管ランスの外側管の出口流速が１２０ｍ／ｓｅｃを超えたりすると、設備の運用コストの点で実用的でないので、二重管ランスの外側管の出口流速の上限を１２０ｍ／ｓｅｃとした。この結果は、同じく水冷の及ばない単管ランスの先端部でも同様に作用するため、単管ランスの出口流速も２０〜１２０ｍ／ｓｅｃと規定した。なお、単管ランスは二重管ランスに比べて熱負荷が少ないため、必要に応じ、出口流速を２０ｍ／ｓｅｃ以上とすればよい。
【００３１】
前記実施形態では、微粉炭の平均粒子径は１０〜１００μｍで使用されるが、燃焼性を確保し、ランスからの送給並びにランスまでの供給性を考慮したとき、好ましくは２０〜５０μｍとするとよい。微粉炭の平均粒子径が２０μｍ未満では、燃焼性は優れるが、微粉炭輸送時（気体輸送）にランスが詰まり易く、５０μｍを超えると微粉炭燃焼性が悪化する恐れがある。
【００３２】
また、吹込む固体還元材には、微粉炭を主として、その中に廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材を混合使用してもよい。混合使用の際は、微粉炭の全固体還元材に対する比は８０ｍａｓｓ％以上とするのが好ましい。即ち、微粉炭と、廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材などでは反応による熱量が異なるため、互いの使用比率が近くなると燃焼に偏りが生じ易くなり、操業の不安定となり易い。また、微粉炭と比して、廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材等は燃焼反応による発熱量が低位であるため、多量に吹込むと炉頂より装入される固体還元材に対する代替効率が低下するため、微粉炭の割合を８０ｍａｓｓ％以上とするのが好ましいのである。
【００３３】
なお、廃プラスチック、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）、有機性資源（バイオマス）、廃材は、６ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以下の細粒として微粉炭と混合使用できる。微粉炭との割合は、搬送ガスにより気送される微粉炭と合流させることで混合可能である。予め微粉炭と混合して使用しても構わない。
更に、前記実施形態では、易燃性還元材としてＬＮＧを用いて説明したが、都市ガスも使用可能であり、他の易燃性還元材としては、都市ガス、ＬＮＧ以外に、プロパンガス、水素の他、製鉄所で発生する転炉ガス、高炉ガス、コークス炉ガスを用いることもできる。なお、ＬＮＧと等価としてシェールガス（shale gas）も利用できる。シェールガスは頁岩（シェール）層から採取される天然ガスであり、従来のガス田ではない場所から生産されることから、非在来型天然ガス資源と呼ばれているものである。
【００３４】
このように、本実施形態の高炉操業方法では、羽口から還元材を吹込むランスを二本以上用い、ＬＮＧ（易燃性還元材）を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線と微粉炭（固体還元材）を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線とが交差するようにランスを配置したため、異なるランスから吹込まれるＬＮＧ（易燃性還元材）と微粉炭（固体還元材）との主流が重なり、ＬＮＧ（易燃性還元材）がＯ2に接触して先に燃焼することで爆発的に拡散すると共に微粉炭（固体還元材）の温度が大幅に上昇し、これにより燃焼温度が大幅に向上し、もって還元材原単位を低減することができる。
【００３５】
また、ランスのうち、微粉炭（固体還元材）を吹込むランスから吹込まれるガスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃ以上とすることにより、昇温によるランスの変形を防止することができる。
また、微粉炭（固体還元材）を吹込むランスを二重管ランスとし、二重管ランスの内側管から微粉炭（固体還元材）を吹込み、外側管から酸素（支燃性ガス）を吹込むことにより、固体還元材の燃焼に必要な酸素を確保することができる。
また、二重管ランスの外側管の出口流速及び前記単管ランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとすることにより、昇温によるランスの変形を防止することができる。
【００３６】
なお、前記実施形態では、還元材を吹込むランスを二本使用したが、ランスは二本以上であれば何本用いてもよい。また、ランスには二重管ランスを用いてもよい。二重管ランスを用いる場合には、酸素などの支燃性ガスと易燃性還元材とを吹込むようにしてもよい。必要なのは、そのうちの易燃性還元材を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線と、固体還元材を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線とが交差し且つ吹込まれる易燃性還元材の主流と固体還元材の主流とが重なるようにランスを配置することである。
【符号の説明】
【００３７】
１は高炉、２は送風管、３は羽口、４はランス、５はレースウエイ、６は微粉炭（固体還元材）、７はコークス、８はチャー、９はＬＮＧ（易燃性還元材）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽口から還元材を吹き込むためのランスを二本以上用い、固体還元材と易燃性還元材とを異なるランスから吹込む場合、固体還元材を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線と易燃性還元材を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線とが交差し且つ吹込まれる固体還元材の主流と吹込まれる易燃性還元材の主流とが重なるように固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスとを配置したことを特徴とする高炉操業方法。
【請求項２】
前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が２０ｍｍ以下で軸線が交差していることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
【請求項３】
前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が１３ｍｍ以下で軸線が交差していることを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉操業方法。
【請求項４】
前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が１０ｍｍ以下で軸線が交差していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の高炉操業方法。
【請求項５】
前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が０で軸線が交差していることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の高炉操業方法。
【請求項６】
前記ランスのうち、固体還元材を吹込むランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとしたことを特徴とする請求項１乃至５に記載の高炉操業方法。
【請求項７】
前記固体還元材を吹込むランスを二重管ランスとし、当該二重管ランスの内側管から固体還元材を吹込むと共に当該二重管ランスの外側管から支燃性ガスを吹込み、易燃性還元材を単管ランスから吹込むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の高炉操業方法。
【請求項８】
前記二重管ランスの外側管の出口流速及び前記単管ランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとしたことを特徴とする請求項７に記載の高炉操業方法。
【請求項９】
前記固体還元材が微粉炭であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の高炉操業方法。
【請求項１０】
前記固体還元材の微粉炭に、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材を混合することを特徴とする請求項９に記載の高炉操業方法。
【請求項１１】
前記固体還元材の微粉炭の割合を８０ｍａｓｓ％以上として、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材を混合使用することを特徴とする請求項１０に記載の高炉操業方法。
【請求項１２】
前記易燃性還元材がＬＮＧ、シェールガス、都市ガス、水素、転炉ガス、高炉ガス、コークス炉ガスであることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の高炉操業方法。
【請求項１】
羽口から還元材を吹き込むためのランスを二本以上用い、固体還元材と易燃性還元材とを異なるランスから吹込む場合、固体還元材を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線と易燃性還元材を吹込むランスの先端から延長した当該ランスの軸線とが交差し且つ吹込まれる固体還元材の主流と吹込まれる易燃性還元材の主流とが重なるように固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスとを配置したことを特徴とする高炉操業方法。
【請求項２】
前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が２０ｍｍ以下で軸線が交差していることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
【請求項３】
前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が１３ｍｍ以下で軸線が交差していることを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉操業方法。
【請求項４】
前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が１０ｍｍ以下で軸線が交差していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の高炉操業方法。
【請求項５】
前記固体還元材を吹込むランスと易燃性還元材を吹込むランスの径方向の相対距離が０で軸線が交差していることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の高炉操業方法。
【請求項６】
前記ランスのうち、固体還元材を吹込むランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとしたことを特徴とする請求項１乃至５に記載の高炉操業方法。
【請求項７】
前記固体還元材を吹込むランスを二重管ランスとし、当該二重管ランスの内側管から固体還元材を吹込むと共に当該二重管ランスの外側管から支燃性ガスを吹込み、易燃性還元材を単管ランスから吹込むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の高炉操業方法。
【請求項８】
前記二重管ランスの外側管の出口流速及び前記単管ランスの出口流速を２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとしたことを特徴とする請求項７に記載の高炉操業方法。
【請求項９】
前記固体還元材が微粉炭であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の高炉操業方法。
【請求項１０】
前記固体還元材の微粉炭に、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材を混合することを特徴とする請求項９に記載の高炉操業方法。
【請求項１１】
前記固体還元材の微粉炭の割合を８０ｍａｓｓ％以上として、廃プラスチック、廃棄物固形燃料、有機性資源、廃材を混合使用することを特徴とする請求項１０に記載の高炉操業方法。
【請求項１２】
前記易燃性還元材がＬＮＧ、シェールガス、都市ガス、水素、転炉ガス、高炉ガス、コークス炉ガスであることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の高炉操業方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−４０４０２（Ｐ２０１３−４０４０２Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５１７９８（Ｐ２０１２−１５１７９８）
【出願日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【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２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【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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