(57)【要約】【課題】普通高炉の操業において、低ＲＡＲ操業時の炉況不調、特に炉上部での装入物の昇温不良を防止することができるとともに、シャフト部から吹き込むガスについて、少ないエネルギーで必要な温度と圧力に加熱・昇圧することができ、低ＲＡＲ操業の経済性と実効性を高めることができる高炉の操業方法を提供する。【解決手段】空気または酸素富化空気を羽口送風する高炉操業において、炉頂部から排出された後、ガス清浄装置に導入される前の高炉ガスＧ０の一部を抜き出して燃焼炉に導入し、該燃焼炉では、高炉ガスＧ０中にダストの一部として含まれる炭素を燃料の一部として燃焼させることで高炉ガスを予熱し、この予熱ガスをシャフト部に設けられたガス吹込部から高炉内に吹き込む。【選択図】図１
2010275623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気または酸素富化空気を羽口送風する高炉操業において、
炉頂部から排出された後、ガス清浄装置に導入される前の高炉ガス（Ｇ０）の一部を抜き出して燃焼炉に導入し、該燃焼炉では、高炉ガス（Ｇ０）中にダストの一部として含まれる炭素を燃料の一部として燃焼させることで高炉ガスを予熱し、この予熱ガスをシャフト部に設けられたガス吹込部から高炉内に吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。
【請求項２】
高炉ガス（Ｇ０）以外のガス（ＧＡ）を、高炉ガス（Ｇ０）とともに燃焼炉に導入することを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安定した低還元材比操業を実施するための高炉の操業方法に関する。
【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）操業が強力に推進されている。
しかしながら、ＲＡＲ（Reduction
Agent Ratio：銑鉄１ｔ製造当たりの、吹き込み燃料と炉頂から装入されるコークスの合計量）が低下すると原理的に送風量が低下し、この結果、シャフト上部においては装入物の昇温が遅れ、順調な還元が達成されなくなる。加えて、亜鉛化合物などの壁付きが助長され、風圧変動や荷下がり異常などの炉況不調を招くことが懸念される。また、炉頂温度が低下して１００℃を割り込むような場合には、排ガス中の水分が配管内に凝縮する問題が生じる。
【０００３】
通常の高炉操業において、上述したような各種炉況不調、特に炉上部での装入物の昇温不良を防止するには、以下のような対策が採られるのが通例である。
（a）酸素富化率を下げ、ガス量を増加させる（熱流比を下げ、ガス温度を上昇させる）。
（b）微粉炭などの燃料吹き込み量を増加させる（熱流比を下げ、ガス温度を上昇させる）。
（c）還元効率（シャフト効率）を下げ、還元材比を高くする。
【０００４】
しかしながら、上記（a）の対策は生産量低下に繋がるため望ましくない。上記（b）は吹き込み能力の余裕代に依存するが、能力限界近くで操業している製鉄所では、その増加量に制約がある。また、燃料吹き込み量を増加させた場合には、ボッシュガス量が増えて生産量を低下させるため、酸素富化を同時に実施する必要がある。しかし、使用できる酸素量にも供給能力上の制限がある。上記（c）はわざわざ効率を下げた操業を指向することで、ＣＯ2削減に関する本来の目的に逆行する。
このように、普通高炉において低ＲＡＲ操業を行なう場合、通常の操業範囲内での操業条件の変更により各種炉況不調、特に炉上部の昇温不良を回避することは困難である。
【０００５】
特許文献１には、上述した課題、すなわち普通高炉（酸素富化率が１０体積％以下の羽口熱風吹込みを行なう高炉）において低ＲＡＲ操業を行った場合にシャフト上部での装入物の昇温が遅れるという課題を解決するために、炉頂温度が１１０℃以下となった場合に、炉頂ガス量の１０体積％以下の量のガスをシャフトガスとしてシャフト上部から炉内に吹き込む方法が示されている。また、同文献には、炉頂部から排出された後、ガスクリーニング装置を通過した高炉ガスの一部を抜き出し、燃焼炉で加熱した後、上記シャフトガスとして使用することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２１４７３５号公報
【特許文献２】特開昭６２−２７５０９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】大野ら，「鉄と鋼」日本鉄鋼協会 75（1989年），p.1278
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の方法では、炉頂部から排出された後、ガスクリーニング装置を通過した高炉ガスの一部を抜き出し、燃焼炉で加熱した後、シャフト上部から炉内に吹き込むものであるが、その吹き込みガスは十分に予熱され、しかも吹き込む位置の炉内圧よりも高い圧力を有する必要がある。したがって、この予熱や昇圧のために相当のエネルギーが必要となり、経済性に問題を生じるとともに、低ＲＡＲ操業のメリットを減殺するおそれもある。
【０００９】
なお、特許文献１が対象するような普通高炉プロセスではなく、純酸素送風を行う酸素高炉プロセスは、原理的に高炉内を通過するガス量が少ないため、本質的に炉上部の昇温が困難なプロセスであると言える。この炉上部温度を上昇させる方法として、炉頂ガスを一部循環させてシャフト上部へ吹き込む方法が知られている（例えば、特許文献２、非特許文献１など）。しかし、酸素高炉プロセスでは、高炉内を通過するガス量は８００〜９００ｍ３（標準状態：以下単にＮｍ３と記載する。）／ｔ程度と極めて少ないため、炉上部を昇温させるためには、３００〜４００Ｎｍ３／ｔというような膨大な量のガスをシャフト上部に吹き込む必要があり、またガス温度も約１０００℃まで高める必要がある。このため大型の昇圧装置や昇温装置などの付帯設備を必要とする。このため、酸素高炉プロセスでは、炉頂ガスを一部循環させてシャフト上部に吹き込む方法で炉上部を昇温させることは、あまり経済的でなく、実用上問題がある。
【００１０】
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、普通高炉の操業において、低ＲＡＲ操業時の炉況不調、特に炉上部での装入物の昇温不良を防止することができるとともに、シャフト部から吹き込むガスについて、少ないエネルギーで必要な温度と圧力に加熱・昇圧することができ、低ＲＡＲ操業の経済性と実効性を高めることができ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】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］空気または酸素富化空気を羽口送風する高炉操業において、炉頂部から排出された後、ガス清浄装置に導入される前の高炉ガス（Ｇ０）の一部を抜き出して燃焼炉に導入し、該燃焼炉では、高炉ガス（Ｇ０）中にダストの一部として含まれる炭素を燃料の一部として燃焼させることで高炉ガスを予熱し、この予熱ガスをシャフト部に設けられたガス吹込部から高炉内に吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。
【００１２】
［2］上記［1］の高炉操業方法において、高炉ガス（Ｇ０）以外のガス（ＧＡ）を、高炉ガス（Ｇ０）とともに燃焼炉に導入することを特徴とする高炉操業方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、普通高炉の操業において、低ＲＡＲ操業時の炉上部での装入物の昇温不良を防止できるとともに、炉頂温度低下による水分凝縮や亜鉛化合物の壁付き等も効果的に抑えることができるので、低ＲＡＲ操業を安定的に実施することができる。しかも、シャフト部から吹き込むガスについて、少ないエネルギーで必要な温度と圧力に加熱・昇圧することができるので、低ＲＡＲ操業の経済性と実効性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態における高炉およびその周辺設備を示す説明図
【図２】参考例の一実施形態における高炉およびその周辺設備を示す説明図
【図３】参考例の他の実施形態における高炉およびその周辺設備を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、空気または酸素富化空気を羽口送風する高炉操業、すなわち普通高炉の操業を対象とする。酸素富化空気を羽口送風する場合には、通常、酸素富化率２０体積％以下、好ましくは１０体積％以下での操業が行われる。なお、酸素富化率が増加するにしたがい炉内を通過するガス量が減り、シャフト上部を昇温するために必要な吹き込みガス量が大幅に増加するため、この点からも、上記のような酸素富化率での操業が好ましい。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態における高炉およびその周辺設備を示す説明図である。図において、１は高炉、２はその羽口であり、この羽口２から熱風と補助還元材（例えば、微粉炭、ＬＮＧなど）が炉内に吹き込まれる。
高炉１の炉頂部から排出された高炉ガスＧ０（炉頂ガス）は、ガス清浄装置であるダストキャッチャー３でダストを除去され、同じくミストセパレータ４で水分を除去された後、炉頂ガス発電装置５に導かれ、炉頂ガスの圧力が電気として回収される。
【００１７】
本発明では、シャフト部（好ましくはシャフト中部〜上部の位置）から高炉内にガスを吹込む。このようにしてガスを炉内に吹き込む主たる目的は、低ＲＡＲ操業による送風量の低下を補い、炉上部でのガス流量を確保するためであるが、無用に炉頂ガス温度を低下させるような温度のガスを吹き込むことは発明の主旨に反するので、吹き込みガスとしては予熱ガスを用いる。図１に示すように本発明では、炉頂部から排出された後、ガス清浄装置（ダストキャッチャー３およびミストセパレータ４）に導入される前の高炉ガスＧ０の一部を抜き出し、昇圧機６で昇圧した後、燃焼炉７に導入し、この燃焼炉７では、高炉ガスＧ０中にダストの一部として含まれる炭素を燃料の一部として燃焼させることで高炉ガスを予熱し、この予熱ガスをガス吹込部Ａから高炉内に吹き込むものである。高炉１の炉頂部から排出される高炉ガスの流路９のうち、炉頂部とダストキャッチャー３との間の流路部分から、高炉ガスの一部を燃焼炉７に供給するための流路１０が分岐している。
【００１８】
シャフト部に吹込まれる予熱ガスの圧力は、吹込む位置の炉内圧力より高くする必要がある。高炉操業により炉内圧力は変動するが、予熱ガスの圧力は吹込む位置の炉内圧に対して、０．２〜１．０ｋｇ／ｃｍ２ほど高ければよい。昇圧機６に導入される高炉ガスＧ０は、ほぼ炉頂ガス圧（通常、２〜２．５ｋｇｆ／ｃｍ２）を維持しているため、シャフト部に吹込まれる予熱ガスの圧力を確保するには、通常、昇圧機６で高炉ガスＧ０を軽度に昇圧するだけでよい。
燃焼炉７には、酸素や酸素含有ガス（空気、酸素富化空気など）である支燃ガスが供給され、高炉ガスＧ０中の可燃ガス成分とダストの一部である炭素が燃焼する。
通常、炉頂部とダストキャッチャー３との間の流路９或いは高炉ガスＧ０を昇圧機６に導く流路１０には、高炉ガスＧ０の組成、ダスト濃度、温度および圧力などを測定するセンサー８aが設置され、また、ガス吹込部Ａ近傍には炉内圧力、温度を測定するセンサー８bが設置され、これらのセンサー８a，８bの測定値に基づき、昇圧機６で昇圧するガス圧力、燃焼炉７に投入する支燃ガス量などが制御される。
【００１９】
最近の高炉操業では、生産性を向上させるために４〜５ｋｇｆ／ｃｍ２程度の熱風を羽口から送風する加圧下での操業が行われている。炉内ではコークスおよび補助還元材が燃焼し、その燃焼ガスがさらにコークスと反応してＣＯ等の還元ガスが生成し、高炉上部に向かって高温の還元ガスが移動する。この還元ガスは鉄鉱石を還元し、ＣＯ２に変換され、高炉ガスとして炉頂より排出される（ガス組成は、羽口送風条件にもよるが、乾燥基準でＣＯ：２３vol％、ＣＯ２：２３vol％、Ｈ２：３vol％、残部：Ｎ２）。炉内圧力は炉内装入物の圧力損失等で低下し、炉頂部で２〜２．５ｋｇｆ／ｃｍ２である。炉頂部から排出された高炉ガスＧ０は、ガス清浄装置（ダストキャッチャー３およびミストセパレータ４）を経た後、炉頂ガス発電装置５においてガス発電に利用されることでエネルギーが回収され、圧力が低下した状態で製鉄所内の加熱炉等に供給される。また、高炉ガスＧ０は、ガス清浄装置（ダストキャッチャー３およびミストセパレータ４）や炉頂ガス発電装置５を通過することにより温度が低下し、一般にはガス清浄装置を通過した時点で常温近くになる。
【００２０】
一方において、シャフト部から炉内に吹き込むガスは、十分に予熱され、且つ吹き込む位置の炉内圧よりも高い圧力を有する必要がある。
この点本発明では、シャフト部から炉内に予熱ガスを吹込むに当たり、高炉の炉頂部から排出される高炉ガスＧ０の圧力と温度をそのまま利用できるので、昇圧機６や燃焼炉７において吹き込み用ガスを得るために必要なエネルギー（昇圧機６の電力、燃焼炉７に供給される酸素）を最小とすることができる。加えて、燃焼炉７において高炉ガスＧ０中にダストの一部として含まれる炭素を燃料の一部として燃焼させることで、高炉の低ＲＡＲ操業（炭酸ガス排出削減）にも寄与できる。通常の高炉操業では１０〜３０ｋｇ／ｔ（炭素濃度２０〜３０mass％）のダストが炉頂ガスとともに排出されており、このダストを燃料の一部として使用することができる。仮に、ダスト排出原単位２５ｋｇ／ｔ（炭素濃度２５mass％）では、２２．９ｋｇ／ｔの炭酸ガス排出量削減となる。また、炭素を燃焼させる分、高炉ガスＧ０の循環量を少なくでき、燃焼用の酸素量も減らすことができる。
【００２１】
ガス吹込部Ａからの予熱ガスの吹き込みは、常時行ってもよいし、炉頂ガス温度が低下した場合にのみ行ってもよい。後者の場合には、例えば、炉頂ガス温度をセンサーで測定し、炉頂ガス温度が所定温度以下（例えば、１１０℃以下）となった場合に、ガス吹込部Ａから予熱ガスの吹き込みを行う。
ガス吹込部Ａから吹き込む予熱ガスの温度に特別な制限はないが、吹込む位置の炉内ガス温度より低いと、炉内を逆に冷やしてしまうため、吹込む位置の炉内ガス温度よりも高い温度が好ましく、一般的には５００℃以上、好ましくは８００℃以上が望ましい。
【００２２】
予熱ガスの吹き込み量にも特別な制限はなく、一般には炉頂ガス温度を１００℃以上に維持できるようなガス吹き込み量とすればよい。例えば、ＲＡＲ４７０ｋｇ／ｔ相当の操業で、８００℃の予熱ガスを１００Ｎｍ３／ｔ吹き込めば、炉頂ガス温度を１００℃以上に維持することができる。
ガス吹込部Ａから吹き込む予熱ガスは、酸素（Ｏ2としての酸素ガス。以下同様）を含まない或いは酸素濃度が低いガスを用いることが好ましい。予熱ガスに酸素があると炉内で還元中の鉄酸化物（Ｆｅ2Ｏ3、ＦｅＯ）を再酸化させるためである。したがって、燃焼炉７に供給する支燃ガス中の酸素は、高炉ガス組成（ダストも含む）から算出される燃焼に必要な理論酸素量に対して１以下が好ましい。
【００２３】
炉高方向でのガス吹込部Ａの設置位置（予熱ガスの吹き込み位置）はシャフト中部〜上部が好ましく、特に、炉口半径をＲ０とし、ストックラインからの深さがＲ０の位置をｐ１、シャフト部下端からの高さがシャフト部全高の１／３の位置をｐ２としたとき、炉高方向において位置ｐ１と位置ｐ２との間にガス吹込部Ａを設置し、このガス吹込部Ａから予熱ガスを吹き込むことが好ましい。予熱ガスの吹き込み位置が浅すぎる（上方位置すぎる）と、原料充填層の荷重が小さいため、原料の流動化や撹拌が生じて、原料降下の安定性が低下するおそれがある。一方、予熱ガスの吹き込み位置が深すぎる（下方位置すぎる）と炉内の軟化融着帯にかかってしまうおそれがあるので好ましくない。
【００２４】
炉周方向におけるガス吹込部Ａの設置数や設置形態は特に限定しないが、炉周方向において等間隔で複数箇所に設けることが好ましい。特に、少なくとも、炉周方向において等間隔でｎ箇所（但し、ｎは４以上の偶数）に設け、予熱ガスの吹き込み総量に応じて、前記ｎ箇所のガス吹込部Ａのなかから、予熱ガスの吹き込みを行うガス吹込部Ａを炉周方向において等間隔に選択することが好ましい。この場合のガス吹込部Ａの等間隔での設置数は４，８，１６，３２，６４などである。なお、実際の設備では、ガス吹込部Ａを炉周方向で厳密に等間隔に設けることは、炉体冷却構造等との関係から困難な場合もあるので、設置する位置の若干のずれは許容される。
【００２５】
本発明では、上述した高炉ガスＧ０以外のガスを高炉ガスＧ０とともに燃焼炉７に導入し、炉内に吹き込むための予熱ガスを得てもよい。そのようなガスとしては、例えば、ガス清浄装置よりも下流側から抜き出した高炉ガスを用いることができる。すなわち、図１に仮想線で示すように、ミストセパレータ４と炉頂ガス発電装置５との間から抜き出した高炉ガスまたは／および炉頂ガス発電装置５の下流側から抜き出した高炉ガスを、昇圧機６を経て燃焼炉７に導入する。また、そのほかに、例えば、製鉄所でガスホルダーに貯蔵されている高炉発生ガス（Ｂガス）、または高炉発生ガスとコークス炉発生ガス（Ｃガス）の混合ガスなどを用いることもできる。
【００２６】
図２および図３は、いずれも参考例として示す実施形態であり、図１と同じく高炉およびその周辺設備を示す説明図である。
このうち図２は、ガス清浄装置（ダストキャッチャー３およびミストセパレータ４）でダストや水分を除去された高炉ガスの一部を抜き出し、昇圧機６で昇圧した後、燃焼炉７に導入して予熱し、この予熱ガスをガス吹込部Ａから高炉内に吹き込むものである。高炉ガスの流路９のうち、ガス清浄装置（ダストキャッチャー３およびミストセパレータ４）の下流側の流路部分から、高炉ガスの一部を燃焼炉７に供給するための流路１１が分岐している。
また、図３は、炉頂ガス発電装置５を通過した高炉ガスの一部を抜き出し、昇圧機６で昇圧した後、燃焼炉７に導入して予熱し、この予熱ガスをガス吹込部Ａから高炉内に吹き込むものである。高炉ガスの流路９のうち、炉頂ガス発電装置５の下流側の流路部分から、高炉ガスの一部を燃焼炉７に供給するための流路１２が分岐している。
【００２７】
図２、図３の参考例ともに、燃焼炉７に導入される高炉ガスは実質的にダスト（炭素）を含まず、また図１の実施形態に較べて昇圧機６や燃焼炉７に導入される高炉ガスの温度・圧力は低い。
なお、ガス吹込部Ａの設置条件、昇圧機６や燃焼炉７の使用条件、予熱ガスおよびその吹き込み条件などは、図１の実施形態と同様である。また、図１と構成が同じものは、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【実施例】
【００２８】
［実施例１］
炉内容積５０００ｍ３の高炉において、表１に示す条件で操業を行った。
表１において、比較例１はシャフト部からの予熱ガス吹き込みを行わない通常の操業例、比較例２は比較例１の通常操業から還元材比を下げた低ＲＡＲ操業例、本発明例１は図１の形態でシャフト部からの予熱ガス吹き込みを行った低ＲＡＲ操業例、参考例１は図２の形態でシャフト部からの予熱ガス吹き込みを行った低ＲＡＲ操業例、参考例２は図３の形態でシャフト部からの予熱ガス吹き込みを行った低ＲＡＲ操業例である。
まず、比較例１では炉頂ガス温度は１５３℃であった。次いで、炭酸ガス排出量削減を目的にＬＮＧ比を３５ｋｇ／ｔに変更し、反応性の高いコークスを使用する比較例２を実施したところ、炉頂ガス温度は７３℃へと急激に低下し、昇温不良に伴う通気変動が検知されるようになり、また、配管内への水分の凝縮も問題となった。
【００２９】
そこで、低ＲＡＲ操業を本発明例１に切り換え、ガス吹込部Ａから予熱ガスの吹き込みを行った。ガス吹込部Ａはストックラインから下方７ｍの位置に設置してある（羽口部から原料装入面までの高さは約２５ｍ）。本発明例１による低ＲＡＲ操業に切り換えた結果、炉頂ガス温度は１３４℃に回復し、操業の通気変動は回復し、配管内への水分の凝縮も完全に回避され、安定した操業に移行できた。また、以上とは別に参考例１と参考例２（いずれもガス吹込部Ａの設置位置は本発明例１と同じ）の操業を実施した。
各実施例の高炉ガスの昇圧に必要なエネルギーを算出したところ、参考例２を１００とすると、本発明例１および参考例１で７．３となり、高炉ガスの昇圧に要するエネルギーが削減できた。
【００３０】
【表１】
2010275623.tif 000003
【００３１】
［実施例２］
炉内容積５０００ｍ３の高炉において、表２に示す条件で操業を行った。
本発明例２では、高炉の炉頂部より排出される高炉ガスＧＯの一部（４９．６Ｎｍ３／ｔ）を抜き出し、これを３．５０atmから３．９５atmに昇圧し、一方、ガスＧＡとして製鉄所ガスホルダーに貯蔵されている高炉発生ガス（４９．６Ｎｍ３／ｔ）を１．２０atmから３．９５atmに昇圧し、これら高炉ガスＧＯとガスＧＡを混合した後、燃焼炉に導入して酸素により燃焼させ、８００℃，１００Ｎｍ３／ｔの予熱ガスとして、ガス吹込部Ａから高炉内に吹き込んだ。昇圧に必要なエネルギーを算出したところ、表１の参考例２を１００とすると、本発明例２では５３となり、高炉ガスの昇圧に要するエネルギーが削減できた。この本発明例２では、炉頂ガス温度は１３５℃であり、配管内への水分の凝縮もなく、安定した操業を行うことができた。
【００３２】
本発明例３では、高炉の炉頂部より排出される高炉ガスＧＯの一部（８７．３Ｎｍ３／ｔ）を抜き出し、これを３．５０atmから３．９５atmに昇圧し、一方、ガスＧＡとして製鉄所ガスホルダーに貯蔵されているコークス炉ガス（９．７Ｎｍ３／ｔ、ガス組成＝ＣＯ：６．４vol％，ＣＯ２：１．９vol％，Ｈ２：５８．６vol％，ＣＨ４：２７．４vol％，Ｃ２Ｈ４：３．４vol％，Ｎ２：２．３vol％を１．１０atmから３．９５atmに昇圧し、これら高炉ガスＧＯとガスＧＡを混合した後、燃焼炉に導入して酸素により燃焼させ、８００℃，１００Ｎｍ３／ｔの予熱ガスとして、ガス吹込部Ａから高炉内に吹き込んだ。昇圧に必要なエネルギーを算出したところ、表１の参考例２を１００とすると、本発明例３では３０となり、高炉ガスの昇圧に要するエネルギーが削減できた。この本発明例３では、炉頂ガス温度は１３３℃であり、配管内への水分の凝縮もなく、安定した操業を行うことができた。
【００３３】
【表２】
2010275623.tif 000004
【符号の説明】
【００３４】
１  高炉
２  羽口
３  ダストキャッチャー
４  ミストセパレータ
５  炉頂ガス発電装置
６  昇圧機
７  燃焼炉
８a，８b  センサー
９，１０，１１，１２  流路
Ａ  ガス吹込部
【図１】
2010275623.tif 000005
【図２】
2010275623.tif 000006
【図３】
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