(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端が開放された管状の燃焼室の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を形成した燃焼バーナにおいて、高炉ガスを燃料ガスとして用いる際に、燃焼室に吹き込まれる前の高炉ガスまたは／および燃焼室に吹き込まれた高炉ガスに水素を加える（但し、水素含有ガスとして加える場合を含む）とともに、燃焼室内に、ＣＯ、Ｈ２の１種以上を含むガスであって、燃焼ガスを希釈してガス組成またはガス組成とガス温度を調整する希釈ガスを供給することを特徴とする燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
【請求項２】
先端が開放された管状の燃焼室の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように該内壁面のほぼ接線方向に燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を形成した燃焼バーナにおいて、高炉ガスを燃料ガスとして用いる際に、燃焼室に吹き込まれる前の高炉ガスまたは／および燃焼室に吹き込まれた高炉ガスに水素を加える（但し、水素含有ガスとして加える場合を含む）とともに、燃焼室内に、ＣＯ、Ｈ２の１種以上を含むガスであって、燃焼ガスを希釈してガス組成またはガス組成とガス温度を調整する希釈ガスを供給することを特徴とする燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
【請求項３】
高炉ガスに、断熱火炎温度が７５０℃以上となるように水素を加える（但し、水素含有ガスとして加える場合を含む）ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
【請求項４】
燃焼室の内壁面に形成された開口を通じて燃焼室内に燃料ガスと支燃ガスを各々供給するためのガスノズル若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを供給するためのガスノズルが、バーナ軸方向で並列した複数のノズル管で構成された燃焼バーナを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
【請求項５】
燃焼室の内壁面に、さらに、燃焼室内でガス旋回流が生じるようにガスを吹き込むための他の開口を形成した燃焼バーナを用い、前記開口から燃焼室内に水素を吹き込む（但し、水素含有ガスとして吹き込む場合を含む）ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
【請求項６】
燃焼室の内壁面に、さらに、燃焼室内でガス旋回流が生じるように該内壁面のほぼ接線方向にガスを吹き込むための他の開口を形成した燃焼バーナを用い、前記開口から燃焼室内に水素を吹き込む（但し、水素含有ガスとして吹き込む場合を含む）ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
【請求項７】
燃焼室の内壁面に形成された他の開口を通じて燃焼室内に水素を供給するためのガスノズルが、バーナ軸方向で並列した複数のノズル管で構成された燃焼バーナを用いることを特徴とする請求項５または６に記載の燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
【請求項８】
燃焼室内のガス流のスワール数Ｓwを３〜１０とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
【請求項９】
燃焼室の後端側の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための開口が形成され、該開口よりも燃焼室先端寄りの位置であって且つ燃焼室長手方向の中央位置よりも燃焼室先端寄りの位置に、燃焼ガスを希釈してガス組成またはガス組成とガス温度を調整する希釈ガスを燃焼室内に供給するためのガスノズルが設けられた燃焼バーナを用いることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼製造プロセスで副生される高炉ガスを燃焼バーナにより安定的に燃焼させるための燃焼方法と、安定した低還元材比操業を実施するための高炉操業方法に関する。
【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。
高炉操業では、高炉羽口部でのコークスの燃焼により発生したＣＯ等の還元ガスを鉄鉱石の還元に利用するが、その利用効率を高めることが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）の低減に繋がる。
元来、高炉ガスは低発熱量ガスであるが、上記のようにＲＡＲが低減すると、発生する高炉ガスの発熱量は一層低下することになる。また、鉄鋼製造プロセスでは、排熱回収の一環として、コークス炉から排出される赤熱コークスの顕熱をコークス乾式消火設備（ＣＤＱ）で回収している。ＣＤＱは不活性ガスでコークスを冷却するが、回収時のコークスからの発生ガスも混入し、３００ｋcal／Ｎｍ３程度の低発熱量ガスとして回収される。
【０００３】
工業的に用いられるガスバーナは、燃料ガスと支燃ガス（酸素含有ガス）の混合形式によって、拡散燃焼方式（外部混合）のものと、予混合燃焼方式（内部混合）のものとに大別されるが、いずれのバーナも、バーナ先端よりも前方で火炎が形成される構造になっている。拡散燃焼方式（外部混合）のものは、バーナ先端で燃料ガスと支燃ガスを混合して燃焼させるものであり、高温の火炎を得ることができ、広く利用されている。また、予混合燃焼方式のものは、比較的短い火炎を形成させることができる等の利点を有している。しかし、これら従来のバーナは、バーナ先端よりも前方で火炎が形成されるため、バーナ前方に広い燃焼用の空間を確保する必要があり、必然的に燃焼設備が大型になるという問題がある。
【０００４】
一方、従来のバーナに使用されている燃料ガスとしては、ＬＮＧやプロパンガスのほかに、鉄鋼製造プロセスで副生されるコークス炉ガス、高炉ガス、高炉ガスと転炉ガスを混合したＭＩＸガス等があるが、これらのうち、高炉ガスのような低発熱量ガスを単独で使用した場合、空気比の変更やガス発熱量の増減により火炎の安定が充分でなく、消炎することもある。そのため、火炎の維持や燃焼の維持のためにパイロットバーナを別途設置したり、燃料ガスや支燃ガスを事前に予熱する方法が採られている。また、低発熱量ガスを用いた場合、燃焼条件によっては、ＮＯＸなどの有害物質の生成量が増加したり、炭化水素などの未燃焼分が排出したり、煤煙が生成するなどの問題を生じやすく、環境汚染源の一つになることが懸念される。
【０００５】
以上のような問題に対して、特許文献１には、低発熱量ガスを燃焼させるために、管状火炎バーナを用い、燃焼室内に燃料ガスと酸素含有ガス（支燃ガス）を旋回させながら導入して燃焼させる方法が示されている。この特許文献１の方法は、支燃ガスとして酸素濃度が６０vol％以上の酸素含有ガスを用い、理論酸素量に対する供給酸素量の比が１．０〜１．４となる範囲で実施するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２７１１８８号公報
【特許文献２】特開２００８−２１４７３５号公報
【特許文献３】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】
しかし、上記特許文献１の方法には、以下のような問題がある。
（1）支燃ガスとして、６０vol％以上の酸素濃度を有する酸素含有ガスが必要であるが、このような高濃度の酸素を得るためには、別途深冷分離や膜分離等の酸素分離プロセスが必要となる。
（2）低発熱量ガスを高濃度の酸素で燃焼させた場合、局所的に高温となり、環境上問題となるサーマルＮＯＸの生成が懸念される。また、燃料ガス中にＳ分が含有される場合には、ＳＯＸの生成が助長される。
（3）高濃度の酸素を配管等で導入する場合、脱脂処理等の実施、ステンレス製パイプ等による配管およびバルブ類の施工が必要となる。このため高価な材料が必要となり、設備コストが高くなる。
【０００９】
一方、高炉の低ＲＡＲ操業では、ＲＡＲ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。
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。
【００１０】
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。
【００１１】
特許文献２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。
【００１２】
特許文献２の方法では、高炉ガスを燃焼炉で加熱（予熱）して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。
しかし、純酸素送風を行う所謂酸素高炉プロセス（例えば、特許文献３、非特許文献１参照）とは異なり、普通高炉プロセスで発生する高炉ガスは低発熱量であるため、燃焼炉で所望の温度まで昇温させるのが難しい場合があり、例えば、高発熱量の補助燃料を使用するなどの対策が必要になる場合がある。また、高炉ガスは低発熱量であるため、通常の燃焼炉では燃焼温度のバラツキが生じやすく、またこのため、燃焼ガス中に酸素が残り、炉内に吹き込まれた際に還元中の鉄酸化物（Ｆｅ2Ｏ3、ＦｅＯ）を再酸化させてしまう問題がある。また、所定の炉内圧を有する高炉内に安定して予熱ガスを吹き込むことも難しい。
【００１３】
したがって本発明の第一の目的は、高炉ガスを燃焼バーナで燃焼させる場合の従来技術の課題を解決し、燃焼バーナにおいて高酸素濃度の支燃ガスを用いることなく、高炉ガスを安定して燃焼させることができる燃焼方法を提供することにある。
また、本発明の第二の目的は、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、高炉ガスを安定して燃焼させて予熱ガスとすることができ、且つその予熱ガスを所定の炉内圧を有する高炉内に安定して吹き込むことができる高炉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】
【００１４】
本発明者らは、まず、上記第一の課題を解決するために検討を行った結果、高炉ガスを安定燃焼させるには、管状火炎バーナを用いるとともに、高炉ガスに水素を加えることが有効であることを見出した。
また、上記第二の課題を解決するために、特に予熱ガスの生成・吹込手段を中心に検討を行った結果、従来、加熱炉や燃焼機器に使用されている管状火炎バーナの方式を利用したガス燃焼・吹込装置をシャフト部に設け、このガス燃焼・吹込装置の燃料ガスとして用いる高炉ガスに水素を加え、その燃焼ガスを予熱ガスとして炉内に吹き込むことにより、高炉ガスを安定して燃焼させて予熱ガスとすることができ、且つその予熱ガスを所定の炉内圧を有する高炉内に安定して吹き込むことができることを見出した。
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
【００１５】
［1］先端が開放された管状の燃焼室の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を形成した燃焼バーナにおいて、高炉ガスを燃料ガスとして用いる際に、燃焼室に吹き込まれる前の高炉ガスまたは／および燃焼室に吹き込まれた高炉ガスに水素を加える（但し、水素含有ガスとして加える場合を含む）とともに、燃焼室内に、ＣＯ、Ｈ２の１種以上を含むガスであって、燃焼ガスを希釈してガス組成またはガス組成とガス温度を調整する希釈ガスを供給することを特徴とする燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
［2］先端が開放された管状の燃焼室の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように該内壁面のほぼ接線方向に燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を形成した燃焼バーナにおいて、高炉ガスを燃料ガスとして用いる際に、燃焼室に吹き込まれる前の高炉ガスまたは／および燃焼室に吹き込まれた高炉ガスに水素を加える（但し、水素含有ガスとして加える場合を含む）とともに、燃焼室内に、ＣＯ、Ｈ２の１種以上を含むガスであって、燃焼ガスを希釈してガス組成またはガス組成とガス温度を調整する希釈ガスを供給することを特徴とする燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
【００１６】
［3］上記［1］または［2］の燃焼方法において、高炉ガスに、断熱火炎温度が７５０℃以上となるように水素を加える（但し、水素含有ガスとして加える場合を含む）ことを特徴とする燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの燃焼方法において、燃焼室の内壁面に形成された開口を通じて燃焼室内に燃料ガスと支燃ガスを各々供給するためのガスノズル若しくは燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを供給するためのガスノズルが、バーナ軸方向で並列した複数のノズル管で構成された燃焼バーナを用いることを特徴とする燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
［5］上記［1］〜［4］のいずれかの燃焼方法において、燃焼室の内壁面に、さらに、燃焼室内でガス旋回流が生じるようにガスを吹き込むための他の開口を形成した燃焼バーナを用い、前記開口から燃焼室内に水素を吹き込む（但し、水素含有ガスとして吹き込む場合を含む）ことを特徴とする燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
【００１７】
［6］上記［1］〜［4］のいずれかの燃焼方法において、燃焼室の内壁面に、さらに、燃焼室内でガス旋回流が生じるように該内壁面のほぼ接線方向にガスを吹き込むための他の開口を形成した燃焼バーナを用い、前記開口から燃焼室内に水素を吹き込む（但し、水素含有ガスとして吹き込む場合を含む）ことを特徴とする燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
［7］上記［5］または［6］の燃焼方法において、燃焼室の内壁面に形成された他の開口を通じて燃焼室内に水素を供給するためのガスノズルが、バーナ軸方向で並列した複数のノズル管で構成された燃焼バーナを用いることを特徴とする燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
［8］上記［1］〜［7］のいずれかの燃焼方法において、燃焼室内のガス流のスワール数Ｓwを３〜１０とすることを特徴とする燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
［9］上記［1］〜［8］のいずれかの燃焼方法において、燃焼室の後端側の内壁面に、燃焼室内でガス旋回流が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための開口が形成され、該開口よりも燃焼室先端寄りの位置であって且つ燃焼室長手方向の中央位置よりも燃焼室先端寄りの位置に、燃焼ガスを希釈してガス組成またはガス組成とガス温度を調整する希釈ガスを燃焼室内に供給するためのガスノズルが設けられた燃焼バーナを用いることを特徴とする燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法によれば、高炉ガスを安定的に燃焼させることができ、高炉ガスを燃料として有効利用することができる。
また、本発明に係る高炉操業方法によれば、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ので、低ＲＡＲ操業を安定的に実施することができる。しかも、高炉ガスを安定して燃焼させて予熱ガスとすることができ、且つその予熱ガスを所定の炉内圧を有する高炉内に安定して吹き込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明で使用される燃焼バーナの一実施形態を示す部分切欠平面図
【図２】図１のII−II線に沿う断面図
【図３】本発明で使用される燃焼バーナの他の実施形態を示すもので、図２と同様の断面線に沿う断面図
【図４】本発明で使用される燃焼バーナの他の実施形態を示す部分切欠平面図
【図５】図４の燃焼バーナを部分的に示す底面図
【図６】図４のVI−VI線に沿う断面図
【図７】図４のVII−VII線に沿う断面図
【図８】本発明の高炉操業方法の一実施形態を模式的に示す説明図
【図９】実施例の燃焼試験で用いた燃焼バーナを示す説明図
【図１０】本発明で使用される燃焼バーナにおいて、開口２a，２bが形成された位置での燃焼室内部の径方向断面を模式的に示す説明図
【図１１】本発明で使用される燃焼バーナにおいて、開口２a，２bが形成された位置での燃焼室内部の径方向断面を模式的に示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１および図２は、本発明で使用される燃焼バーナ（管状火炎バーナ）の一実施形態を示すもので、図１は部分切欠平面図、図２は図１中のII−II線に沿う断面図である。
図において、１は先端が開放された管状（円筒状）の燃焼室、３aは燃料ガス用のガスノズル、３bは支燃ガス用のガスノズルである。
前記燃焼室１の内方（後端側）の内壁面１００には、燃焼室内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための開口２a，２b（ノズル口）が形成され、これら開口２a，２bに、それぞれ前記ガスノズル３a，３bが接続されている。前記開口２a，２b（ノズル口）は、燃焼室１内に吹き込んだガスが旋回流となるよう、燃焼室１の軸芯を外した方向（偏芯方向）にガスを吹き込むように形成される。本実施形態の開口２a，２bは、内壁面１００のほぼ接線方向に燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むように形成されている。
前記開口２a，２bは、管軸方向に沿ったスリット状に形成され、内壁面１００（内周面）で１８０°対向する位置に設けられている。これら開口２aと開口２bはそれぞれ複数設けてもよく、その場合には、各開口２a，２bに対してガスノズル３a，３bが接続される。
【００２５】
ガスノズル３aのガス導入部には、高炉ガスと水素を混合するための混合室４が設けられ、この混合室４に高炉ガス供給管５と水素供給管６が接続されている。一方、ガスノズル３bのガス導入部には支燃ガス供給管７が接続されている。
その他図面において、８〜１０は高炉ガス供給管５、水素供給管６および支燃ガス供給管７にそれぞれ設けられる流量調整弁、１１は水素供給管６に設けられる流量計、１２は燃焼室１内の燃焼状況を検知するための燃焼状況検知装置、１３は点火プラグである。前記燃焼状況検知装置１２は、例えば、火炎中に熱電対等を装入して温度計測するような方式、ウルトラビジョン等を用いて火炎中の紫外線を検出する光学方式などでもよい。また、ｘは燃焼バーナが設けられる炉体である。
【００２６】
ここで、開口２a，２b（ノズル口）からは、燃焼室１内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込めばよいが、特に、ガス旋回流が後述するような好ましいスワール数Ｓw（旋回を伴う流体の流れにおいて旋回の強さを表す無次元数）の範囲となるように、開口２a，２bからのガスの吹き込み方向を設定するのが好ましい。図１０は、開口２a，２bが形成された位置での燃焼室内部の径方向断面を模式的に示している。このような燃焼室１の径方向断面において、内壁面１００の周方向における開口２a，２bの端部のうち、開口２a，２bから吐出して旋回するガス流の旋回（回転）方向における先端側の端部を点ｐとし、この点ｐにおける内壁面１００の接線をｘ、開口２a，２bから吐出するガス流の中心線（＝ガスノズル３a，３bの軸芯）をｙ、接線ｘとガス流中心線ｙとが成す角度をガス吹込み角度θとした場合、このガス吹込み角度θを、好ましいスワール数Ｓwの範囲（Ｓw：３〜１０）となるように設定することが好ましい。すなわち、ガスノズル３aの内径から算出される開口２aでの燃料ガス速度をＶf、ガスノズル３bの内径から算出される開口２bでの支燃ガス速度をＶaとした場合、接線ｘ方向での燃料ガス速度成分Ｖf1と支燃ガス速度成分Ｖa1は以下のようになる。
Ｖf1＝Ｖf×cosθ
Ｖa1＝Ｖa×cosθ
そして、このＶf1、Ｖa1を開口２a，２bでのガス速度として算出されるスワール数Ｓwが所定の好ましい範囲になるように、ガス吹込み角度θを決めることが好ましい。スワール数Ｓwの求め方は、後述のとおりである。
【００２７】
一方、燃焼バーナの構造面から言うと、燃焼バーナは、燃焼室１の内壁面１００に、該内壁面のほぼ接線方向に燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための開口２a，２bを形成した構造のものが好ましい。これは、そのような構造にしておけば、ガス量やガス速度の変更や変化に拘わりなく、好ましいスワール数Ｓwを実現できるからである。具体的には、図１０に示すガス吹込み角度θを３０°以下、より好ましくは１０°以下とすることが望ましい。このガス吹込み角度θが大きくなると、ガス量やガス速度によっては、内壁面１００に沿ったガス旋回流を適切に形成できなくなる恐れがある。本実施形態、後述する図３の実施形態、図４〜図７の実施形態では、いずれもガス吹込み角度θ≒０°〜５°程度である。
【００２８】
本発明は、以上のような管状火炎バーナにおいて、高炉ガスを燃料ガスとして用いる際に、これを安定的に燃焼させるために高炉ガスに水素を加えるものである。この水素は、純水素ガスとして加えてもよいし、水素含有ガスとして加えてもよい（以下、本明細書において「（高炉ガスに加えられる）水素」という場合には、「水素含有ガス」を含む意味とする）。この水素含有ガスの水素濃度は、当然のことながら、高炉ガスの水素濃度（通常、Ｈ２濃度：２〜３vol％）を上回るものである必要がある。この点以外に水素含有ガスの水素濃度に特別な制限はないが、一般には水素濃度が２０vol%以上の水素含有ガスを用いることが好ましい。鉄鋼製造プロセスで発生するガスのなかでは、例えば、コークスを製造する際に得られるコークス炉ガスが特に水素濃度が高く（通常、５５vol％程度）、水素含有ガスとして好適である。
【００２９】
高炉ガスに水素を加えるために、図１および図２に示す燃焼バーナでは、ガスノズル３aの混合室４に高炉ガス供給管５と水素供給管６を通じて高炉ガスと水素が供給され、ここで高炉ガスに水素が混合され、この水素混合高炉ガス（水素が混合された高炉ガス。以下同様）がノズル本体に入る。一方、ガスノズル３bには支燃ガス供給管７を通じて支燃ガスが供給される。このようにしてガスノズル３a，３bに供給された水素混合高炉ガスと支燃ガスは、開口２a，２b（ノズル口）から燃焼室１内に吹き込まれる。この水素混合高炉ガスと支燃ガスは、燃焼室１の内壁面１００に沿って旋回流を形成しながら燃焼し、火炎が形成される。なお、以上のような燃焼は、点火プラグ１３による着火により開始され、燃焼が継続する場合には、その時点で点火プラグ１３による点火は終了する。
【００３０】
高炉ガスの発熱量が変動し、例えば、より低発熱量となることで、燃焼状況検知装置１２により検知される燃焼状況が安定しない場合には、水素供給管６に設けられた流量計１１と流量調整弁９により、水素の供給量を増加させる。
なお、この燃焼バーナは、高炉ガスと支燃ガスを予め混合したガス（予混合ガス）を用いてもよく、この場合には、燃焼室１の内壁面１００に、燃焼室１内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるように燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための１つ以上の開口２（ノズル口）が形成され、この開口２に予混合ガス供給用のガスノズル３が接続される。前記開口２は、図１および図２の開口２a，２bと同様、燃焼室１内に吹き込んだガスが旋回流となるよう、燃焼室１の軸芯を外した方向（偏芯方向）にガスを吹き込むように形成されるが、特に、内壁面１００のほぼ接線方向にガス（予混合ガス）を吹き込むように形成されることが好ましい。そして、水素は、支燃ガスと予混合される前の高炉ガスまたは予混合ガスに加えられ、このようにして水素が添加された予混合ガスがガスノズル３を通じて開口２から燃焼室１内に吹き込まれる。なお、この開口２からも燃焼室１内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるようにガスを吹き込めばよいが、ガスの吹込み方向の好ましい設定方法や、バーナ構造として好ましいガス吹込み角度θは、さきに図１０に基づいて説明した開口２a，２bと同様である。
【００３１】
以上のような燃焼バーナにおいて、ガスノズル３a，３bおよび開口２a，２bから燃焼室１内に吹き込まれて旋回流を形成する水素混合高炉ガスと支燃ガス（または両者の予混合ガス）はガスの密度差によって層別され、火炎の両側に密度の異なるガス層ができる。すなわち、旋回速度の小さい軸心側には高温の燃焼排ガスが存在し、旋回速度の大きい内壁面１００側には未燃焼のガスが存在するようになる。また、内壁面１００近傍では、旋回速度が火炎伝播速度を上回っているため、火炎は内壁面近傍に留まることはできない。このため、燃焼室１内には管状の火炎が安定的に生成する。また、燃焼室１の内壁面付近には未燃焼のガスが存在しているので、燃焼室１の内壁面が直接的な伝熱により高温に加熱されることはない。そして、燃焼室１内のガスは旋回しながら先端側へ流れるが、その間、内壁面１００側のガスが順次燃焼して軸心側へ移動し、燃焼ガスが開放した先端から排出される。
【００３２】
水素の燃焼速度はＣＯ等の他の可燃性ガスに較べて極めて速く、このため水素を加えることで高炉ガスを安定して燃焼させることが可能となる。ここで、ガスの燃焼速度（ＭＣＰ：maximum combustion potential）は、その組成によって決まり、次式によって算出される。
【数１】
0005392230.tif 000002
【００３３】
【表１】
0005392230.tif 000003
【００３４】
上記式により計算されるＭＣＰは、水素が２８２、ＣＯが１００であり、水素はＣＯの２．８倍燃焼速度が速い。したがって、水素を添加することにより、高炉ガスを安定的に燃焼させることが可能となる。高炉ガスの燃焼を継続するためには、理論的には、高炉ガスの断熱火炎温度が、その高炉ガスに含まれるガス種の発火点以上（ＣＯ発火点：６０９℃、Ｈ２発火点：５００℃）の温度であるか、高炉ガス中に含まれる可燃性ガスの濃度が爆発限界下限濃度以上（ＣＯ爆発限界下限濃度：１２．５vol％、Ｈ２：４vol％）であればよい。しかしながら、本発明者が検討したところ、高炉ガスのようなＣＯを含む低発熱量ガスでは、水素を添加した後の断熱火炎温度が７５０℃以上となると、安定的な燃焼が可能となることが判った。例えば、ＣＯが１８．２vol％、ＣＯ２が２６．９vol％、Ｈ２が２．１vol％、（残部はＮ２）の高炉ガスでは、発熱量が６１２ｋｃａｌ／Ｎｍ３、断熱火炎温度が７４６℃（空気比０．７）であり、この状態では安定的に燃焼が継続せず、別途助燃のためのパイロットバーナが必要となる。このガスに水素を添加し、Ｈ２：４．２vol％とすることで、断熱火炎温度は７８４℃となり、安定した燃焼が継続可能となる。断熱火炎温度は、燃焼で発生した熱が外部に失われることなく、燃焼ガスの温度上昇に使われるものとして理論的に計算した温度である。
【００３５】
したがって、高炉ガスには、断熱火炎温度が７５０℃以上となるように水素を加えるのが好ましい。一方、水素の添加量が多ければ、それだけ燃焼の安定性は高まるが、水素添加量が多すぎると経済性が損なわれる。
また、本発明の燃焼方法において、燃焼室１を加圧状態とすれば、ガス密度が増加し、見掛けの発熱量が増加するので、高炉ガスであってもより安定的な燃焼が可能となる。
本発明では、支燃ガスとして空気などの酸素含有ガス、酸素ガスを用いることができるが、本発明は支燃ガスとして空気を用いる場合に特に有用である。支燃ガスの供給量は、安定した燃焼状態を維持するのに必要な量である。支燃ガスとして空気を用いる場合、通常、空気比１以上となるように供給される。空気比とは、燃料の燃焼に必要な理論的な空気量と実際に供給する空気量の比（実際の空気量／理論空気量）であり、空気比１で燃料ガスは完全燃焼し、ＣＯ２およびＨ２Ｏとなる。空気比が１未満の条件では不完全燃焼となり、安定した燃焼が継続できなくなる。また、空気比が過剰の場合には希薄燃焼となり、この場合も安定な燃焼状態が維持できない。したがって、通常は空気比１．０〜１．５の範囲で支燃ガスを供給することが好ましい。
燃料ガスと支燃ガスのノズル（開口）からの噴出速度に特に制限はないが、両者は同程度の速度であることが好ましい。
【００３６】
図１および図２の実施形態では、燃焼室１に吹き込まれる前の高炉ガスに水素を加えるものであるが、燃焼室１に吹き込まれた高炉ガスに水素を加える（すなわち、燃焼室１内で高炉ガスに水素を加える）ようにしてもよい。図３は、この場合に使用される燃焼バーナの一実施形態を示す断面図（図２と同様の断面線に沿う断面図）である。この燃焼バーナは、燃焼室１の内方（後端側）の内壁面１００に、図２と同様の開口２a，２bが形成されるとともに、内壁面１００の周方向で開口２a−開口２b間の中央位置（すなわち、周方向で開口２a，２bに対して９０°の位置）に、燃焼室１内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるように水素（水素ガスまたは水素含有ガス。以下同様）を吹き込むための開口２c１，２ｃ２（ノズル口）が形成され、この開口２c１，２ｃ２に水素用のガスノズル３c１，３ｃ２がそれぞれ接続されている。開口２a，２bと同様、前記開口２c１，２ｃ２（ノズル口）も、燃焼室１内に吹き込んだガスが旋回流となるよう、燃焼室１の軸芯を外した方向（偏芯方向）にガス（水素）を吹き込むように形成される。本実施形態の開口２c１，２ｃ２は、内壁面１００のほぼ接線方向に水素を吹き込むように形成されている。
前記開口２a，２bと同じく、前記開口２c１，２ｃ２は、管軸方向に沿ったスリット状に形成されている。なお、この開口２c１，２ｃ２はいずれか一方のみを設けても、また、３つ以上設けてもよく、その場合には、各開口２cに対してガスノズル３cが接続される。
なお、この開口２c１，２ｃ２からも燃焼室１内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるようにガス（水素）を吹き込めばよいが、ガスの吹込み方向の好ましい設定方法や、バーナ構造として好ましいガス吹込み角度θは、さきに図１０に基づいて説明した開口２a，２bと同様である。
【００３７】
このような燃焼バーナでは、水素をガスノズル３cを通じて開口２c１，２ｃ２から燃焼室１内に吹き込むことにより、燃焼室１内で高炉ガスに水素が添加される。
図３の実施形態の燃焼バーナの他の構造、機能は、図１および図２に示す実施形態の燃焼バーナと同じであるので、詳細な説明は省略する。なお、図１および図２に示す実施形態の燃焼バーナと同様、高炉ガスと支燃ガスを予め混合したガス（予混合ガス）を用いてもよく、この場合には、さきに述べたように、上記開口２a，２bに代えて、燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための１つ以上の開口２（ノズル口）が形成され、この開口２に予混合ガス供給用のガスノズル３が接続される。
本発明では燃焼バーナの燃焼室１内において、水素が添加された高炉ガスと支燃ガスが旋回流を形成することにより、高炉ガスを安定的に燃焼させることができるものであるが、特に高炉ガスはＣＯ、ＣＯ２、Ｎ２を主体としたガスであり、水素はこれらのガス成分と比較してガス密度が低いため、図３の実施形態のように水素を旋回流となるように吹き込むと、その密度差によって水素が軸心側に移行して優先的に燃焼し、その他のガスの燃焼を促進することになる。このため、高炉ガスの燃焼性をより高めることができる。
【００３８】
図４〜図７は、本発明で使用される燃焼バーナ（管状火炎バーナ）の他の実施形態を示すもので、図４は燃焼バーナの部分切欠平面図、図５は燃焼バーナを部分的に示す底面図、図６は図４中のVI−VI線に沿う断面図、図７は図４中のVII−VII線に沿う断面図である。
図４〜図７の実施形態では、燃料ガス用のガスノズル３aと支燃ガス用のガスノズル３bが、それぞれバーナ軸方向で並列した複数のノズル管３００a，３００bで構成されている。このようにガスノズル３a，３bを複数のノズル管３００a，３００bで構成するのは、後述するように、ガスノズル３a，３bによって燃焼室１内で適切な旋回流が形成されるようにしつつ、スワール数Ｓｗを所定の好ましい範囲にするためである。
【００３９】
図１および図２の実施形態と同様、前記燃焼室１の内方（後端側）の内壁面１００には、燃焼室１内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるように燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むための開口２a，２b（ノズル口）が形成されるが、これら開口２a，２bも各々複数の開口２００a，２００bで構成されている。そして、各開口２００aにそれぞれ前記ノズル管３００aが接続され、各開口２００bにそれぞれ前記ノズル管３００bが接続されている。前記開口２００a，２００bは、燃焼室１内に吹き込んだガスが旋回流となるよう、燃焼室１の軸芯を外した方向（偏芯方向）にガスを吹き込むように形成される。本実施形態の開口２００a，２００bは、内壁面１００のほぼ接線方向に燃料ガスと支燃ガスを各々吹き込むように形成されている。
また、前記ガスノズル３a，３b（開口２a，２b）よりも燃焼室先端寄りの位置には、燃焼ガスを希釈してその温度および／または組成を調整する希釈ガスを燃焼室１内に供給するためのガスノズル１４が設けられている。このガスノズル１４は、燃焼ガスを希釈するガスを供給するものであるため、燃焼室１内でのガス燃焼を妨げない位置に設ければよく、燃焼室長手方向での設置（接続）位置に特別な制限はないが、本実施形態では、燃焼室長手方向の中央位置よりも燃焼室先端寄りの位置に設けられている。
【００４０】
ガスノズル１４は単一のノズル管で構成してもよいが、本実施形態では、バーナ軸方向で並列した複数のノズル管１４０で構成されている。ガスノズル１４が設置される位置の燃焼室１の内壁面１００には、燃焼室１内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるように、同内壁面のほぼ接線方向に希釈ガスを吹き込むための開口１５（ノズル口）が形成され、この開口１５に前記ガスノズル１４が接続されている。本実施形態では、開口１５は複数の開口１５０で構成され、各開口１５０にそれぞれ前記ノズル管１４０が接続されているが、開口１５を管軸方向に沿ったスリット状の単一の開口とし、これに単一のガスノズル１４を接続してもよい。なお、この希釈ガス用の開口１５は、必ずしも燃焼室１内でガス旋回流が生じるようにガスを吹き込むような構造としなくてもよい。
図４〜図７の実施形態の燃焼バーナの他の構造、機能は、図１および図２に示す実施形態の燃焼バーナと同じであるので、詳細な説明は省略する。
また、前記開口２００a，２００bからも燃焼室１内でガス旋回流（内壁面１００の周方向に沿ったガス旋回流）が生じるようにガスを吹き込めばよいが、ガスの吹込み方向の好ましい設定方法や、バーナ構造として好ましいガス吹込み角度θは、さきに図１０に基づいて説明した開口２a，２bと同様である。
【００４１】
本発明で使用する燃焼バーナでは、燃焼室１内で高温の燃焼ガスが発生し、例えば、高炉ガスの理論燃焼温度は空気比１．０で約１３００℃となる。本発明を後述するような高炉操業方法に適用し、燃焼バーナの燃焼ガスを予熱ガスとして高炉内に吹き込む場合、吹き込まれた燃焼ガス中のＣＯ２によって炉内のコークスが消費され、或いは炉内で還元された鉄鉱石（マグネタイト）が再酸化されることがないよう、燃焼ガスを希釈してその温度や組成を管理することが好ましい。本実施形態では、そのような目的で、燃焼ガスの温度および／または組成を調整するための希釈ガスをガスノズル１４から燃焼室１内に供給する。
【００４２】
使用する希釈ガスの種類は、燃焼ガスに添加する目的（ガス温度調整および／またはガス組成調整）に応じて適宜選択すればよいが、燃焼ガスの組成を調整するという面からは、ＣＯ、Ｈ２などの還元ガスを含むものが好ましい。例えば、高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガス等の１種以上を用いることができ、特に、高炉ガスの一部を抜き出して希釈ガスとして用いることが好ましい。
また、燃焼バーナの燃焼ガスを予熱ガスとして高炉内に吹き込む場合、後述するように予熱ガスの温度は５００℃以上、好ましくは８００℃以上が望ましいので、このような予熱ガス温度になるように希釈ガスの温度と供給量が選択されることが好ましい。
なお、燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むためのガスノズルを有する燃焼バーナや、図３の実施形態のような水素吹き込み用のガスノズル３cを有する燃焼バーナについても、それらのガスノズルをバーナ軸方向で並列した複数のノズル管で構成することができる。また、これらの燃焼バーナにおいても、上記のような希釈ガス用のガスノズル１４と開口１５を設けることができる。
【００４３】
本発明の高炉ガスの燃焼方法では、燃焼室１内でのガス流のスワール数Ｓwを３〜１０の範囲とするのが好ましい。スワール数は、旋回を伴う流体の流れにおいて旋回の強さを表す無次元数であり、スワール数が大きいほど旋回の強い流れとなる。スワール数が小さ過ぎると燃料ガスと支燃ガスの混合が不十分となり、燃料ガスの着火が安定しなくなり、一方、大き過ぎると燃焼火炎が吹き消える場合がある。以上の観点から、スワール数Ｓwは３〜１０の範囲が好ましい。
スワール数Ｓwは、これを算出するための公知の基本式に従い、使用する燃焼バーナの形式やその使用形態に応じた式で算出することができ、例えば、図１および図２の実施形態のような、燃料ガス吹き込み用の開口２aと支燃ガス吹き込み用の開口２bを有する燃焼バーナを用いる場合には、スワール数Ｓwは下式により求めることができる。なお、下式において燃料ガスとは、水素混合高炉ガスである。
【数２】
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【００４４】
また、燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むための開口を有する燃焼バーナを用いる場合には、スワール数Ｓwは下式により求めることができる。なお、下式において予混合ガスとは「燃料ガス（高炉ガス）＋水素＋支燃ガス」である。
【数３】
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さらに、図３の実施形態のような、燃料ガス吹き込み用の開口２aと支燃ガス吹き込み用の開口２bに加えて、水素吹き込み用の開口２cを有する燃焼バーナを用いる場合には、スワール数Ｓwは下式により求めることができる。
【数４】
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【００４５】
スワール数Ｓwを上記のような好ましい範囲にする当たり、図４〜図７の実施形態のように、燃料ガス用のガスノズル３aと支燃ガス用のガスノズル３bを、それぞれバーナ軸方向で並列した複数のノズル管３００a，３００bで構成することが好ましい。これは以下のような理由による。例えば、燃焼室内径：５０ｍｍ、高炉ガス量：３０Ｎｍ３／ｈ（ガス密度：１．３４ｋｇ／Ｎｍ３）、空気量：２１．４Ｎｍ３／ｈ（ガス密度：１．２９ｋｇ／Ｎｍ３）、空気比：１．１、炉内圧：２４５ｋＰa（後述する高炉操業方法のように燃焼バーナをガス燃焼・吹込装置ａとして高炉に設置した場合の炉内圧）という条件の場合、ガスノズル３a，３bがそれぞれ単一（１本）のノズル管で構成されるとすると、スワール数Ｓwが３となるノズル管の内径（円換算の内径。すなわち、ノズル管内部の断面積を円の面積に換算した時の当該円の直径。以下、「ノズル管の内径」という場合には、同様の意味とする。）は、ガスノズル３aが２１ｍｍ（開口２aでの燃料ガス速度：７ｍ／ｓ）、ガスノズル３bが２１ｍｍ（開口２bでの支燃ガス速度：５ｍ／ｓ）となる。しかし、このようにガスノズル３a，３bを単一のノズル管で構成した場合には、図１のII-II線断面において、ノズル管の内径が燃焼室内径の約４／１０となり、燃料ガスおよび支燃ガスとも、燃焼室中心方向（軸心）への流れが増加し、良好な旋回流が形成されにくくなる。このため軸心側に存在する高温燃焼排ガスが冷却される恐れがあり、本発明の効果が低下する可能性がある。図１１は、開口２a，２bが形成された位置での燃焼室内部の径方向断面を模式的に示しており、燃焼室１の半径をＲ、燃焼室径方向でのガスノズル３a，３bの内部幅または実内径をｔとしたとき、開口２a，２bから吹き込まれるガス流の中心位置（＝ガスノズル３a，３bの軸芯）は、燃焼室１の中心から距離（Ｒ−ｔ／２）の位置にある。ここで、Ｒに対してｔが大きくなると、燃焼室中心方向（軸心）への流れが増加して良好な旋回流が形成されにくくなり、管状火炎が管壁から離れた位置に形成されて燃焼が不安定となりやすい。このような観点から（Ｒ−ｔ／２）／Ｒ≧０．８が好ましいが、上記の例ではこの好ましい条件から外れてしまう。
【００４６】
これに対して、ガスノズル３a，３bをバーナ軸方向で並列した複数のノズル管３００a，３００bで構成した場合には、ノズル管１本当たりの内径が小さくなるので、上記のような問題が生じにくく、スワール数Ｓwを好ましい範囲にしつつ、良好な旋回流を生じさせることができる。そのため、燃料ガス用のガスノズル３aと支燃ガス用のガスノズル３bは、それぞれバーナ軸方向で並列した複数のノズル管３００a，３００bで構成することが好ましい。同様の理由で、燃料ガスと支燃ガスの予混合ガスを吹き込むためのガスノズルを有する燃焼バーナや、図３の実施形態のような水素ガス吹き込み用のガスノズル３cを有する燃焼バーナについても、それらのガスノズルをバーナ軸方向で並列した複数のノズル管で構成することが好ましい。
【００４７】
次に、以上のような燃焼バーナによる高炉ガスの燃焼方法を適用した高炉操業方法について説明する。
この本発明の高炉操業方法は、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。
【００４８】
図８は、本発明の高炉操業方法の一実施形態を模式的に示す説明図である。図において、２０は高炉、２１はその羽口であり、この羽口２１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２０の炉頂部から排出された高炉ガス（炉頂ガス）は、ガス清浄装置であるダストキャッチャー２２でダストを除去され、同じくミストセパレータ２３で水分を除去された後、炉頂ガス発電装置２４に導かれ、炉頂ガスの圧力が電気として回収された後、系外に導かれる。
【００４９】
本発明では、シャフト部（好ましくはシャフト中部〜上部）に設けられたガス吹込部Ａ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。
このようにガス吹込部Ａから予熱ガスを高炉内に吹き込むに当たり、本発明では、ガス吹込部Ａを、さきに述べたような燃焼バーナ（例えば、図１および図２の燃焼バーナ、図３の燃焼バーナ、図４〜図７の燃焼バーナのいずれか）の燃焼室の先端を高炉内部と連通させたガス燃焼・吹込装置ａで構成し、このガス燃焼・吹込装置ａの燃焼ガスを予熱ガスとして高炉内に吹き込むものである。すなわち、図１や図４において、ｘが高炉２０の炉体であり、燃焼室１の先端を高炉内部と連通させるようにして燃焼バーナを炉体ｘに取り付け、ガス燃焼・吹込装置ａを構成する。
【００５０】
このようなガス燃焼・吹込装置ａの基本構造は、管状火炎バーナとして知られたものである。しかし、この管状火炎バーナは、加熱炉や燃焼機器用として開発され、使用されてきたものであり、高炉のガス吹込手段に適用することについては、全く検討されていなかった。また、近年の高炉操業は高圧条件で行われ、予熱ガスは吹き込み位置の炉内圧よりも高い圧力に昇圧して吹き込む必要があるが、管状火炎バーナは常圧状態での使用を前提としており、上記のような圧力条件下で使用することについても、全く検討されていなかった。これに対して本発明では、高炉ガスを燃焼させて予熱し、これを高炉のシャフト部から炉内に吹き込む手段として、管状火炎バーナタイプのガス燃焼・吹込装置ａが非常に優れた機能を有することを見出したものである。また、高炉ガスを燃料ガスとして用いる場合、さきに述べたように高炉ガスに水素を加えることにより、安定的な燃焼が可能となることを見出したものである。
【００５１】
図８の実施形態では、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２２およびミストセパレータ２３）、炉頂ガス発電装置２４を経た高炉ガスの一部を抜き出し、昇圧機２５aで昇圧した後、ガス吹込部Ａを構成するガス燃焼・吹込装置ａに燃料ガスとして導入する。水素を高炉ガスに混合するには、高炉ガスの配管内に水素を直に導入するか、或いは図示しない混合機を用いて高炉ガスに水素を混合し、水素混合高炉ガスとする。高炉２０の炉頂部から排出される高炉ガスの流路２７のうち、炉頂ガス発電装置２４の下流側の流路部分から、高炉ガスの一部をガス燃焼・吹込装置ａに供給するための流路２８が分岐している。
【００５２】
また、ガス燃焼・吹込装置ａには、酸素含有ガス（空気、酸素富化空気、高酸素濃度ガスなど）である支燃ガスが供給されるが、この支燃ガスも昇圧機２５bで昇圧した後、ガス燃焼・吹込装置ａに導入する。なお、ガス燃焼・吹込装置ａで高炉ガスと支燃ガスの予混合ガスを用いる場合には、事前に昇圧機２５a，２５bで高炉ガスと支燃ガスを別々に昇圧してもよいし、予混合ガスを単一の昇圧機２５で昇圧してもよい。この場合、支燃ガスと予混合される前の高炉ガスに水素を導入（または混合機で水素を混合）するか、或いは予混合ガスに水素を導入（または混合機で水素を混合）する。
また、図３に示す燃焼バーナの場合には、水素は昇圧機で昇圧された後、高炉ガスとは別にガス燃焼・吹込装置ａに導入され、その燃焼室に吹き込まれる。
【００５３】
また、図４〜図７に示す燃焼バーナの場合には、高炉内に吹き込まれた燃焼ガス中のＣＯ２によってコークスが消費され、或いは炉内で還元された鉄鉱石（マグネタイト）が再酸化されることがないよう、燃焼ガスを希釈してその温度や組成を管理するために、ガスノズル１４から希釈ガスが燃焼室１内に供給される。さきに述べたように、希釈ガスとしては、ＣＯ、Ｈ２などの還元ガスを含むものが好ましく、例えば、高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガス等の１種以上を用いることができ、なかでも高炉ガスの一部を抜き出して希釈ガスとして用いることが好ましい。また、予熱ガスの温度は５００℃以上、好ましくは８００℃以上が望ましいので、このような予熱ガス温度になるように希釈ガスの温度と供給量が選択される。
【００５４】
次に、本発明において管状火炎バーナタイプのガス燃焼・吹込装置ａを用い、且つ燃料ガスである高炉ガス（特に、低還元材比操業で発生する高炉ガスを用いる場合）に水素を添加することにより得られる効果を、従来の他のタイプのガスバーナを用いた場合と比較して説明する。
従来、工業的に用いられているガスバーナの多くは、バーナ先端よりも前方に火炎が形成される構造になっている。したがって、このようなガスバーナをガス燃焼・吹込装置ａとして用いた場合、火炎が高炉上部から降下する装入物（鉄鉱石、コークス）に直接あたり、コークスのソリューションロス反応を生じさせ、コークスが無用に消費されるなどの問題を生じる。
【００５５】
また、純酸素送風を行う酸素高炉プロセスの炉頂ガスは、窒素が少なくＣＯが主体のガスであるため、発熱量が高い（例えば、約１２００ｋｃａｌ／Ｎｍ３）。このため上記のような従来の一般的なガスバーナでも、特に問題なく燃料ガスとして使用することができる。これに対して本発明が対象とする普通高炉プロセスで発生する高炉ガスは発熱量が低く（例えば、約８００ｋｃａｌ／Ｎｍ３）、上記のような従来の一般的なガスバーナに適用しても安定燃焼は難しい。また、低ＲＡＲ操業を指向した場合には、高炉ガスの発熱量はさらに低下する。例えば、高炉内物質熱収支モデルで計算すると、高炉ガスの発熱量は、（1）ＲＡＲ４９４ｋｇ／ｔ相当の操業（ＰＣＲ：１３０ｋｇ／ｔ、送風温度：１１５０℃）では７２２ｋｃａｌ／Ｎｍ３、（2）ＲＡＲ４５０ｋｇ／ｔ相当の操業（ＰＣＲ：１３０ｋｇ／ｔ、送風温度：１２００℃、高反応性コークス使用、熱損失を４３％低減、シャフト効率を上記（1）の操業に対して２％アップ）では６２０ｋｃａｌ／Ｎｍ３、（3）ＲＡＲ４１２ｋｇ／ｔ相当の操業（ＰＣＲ：１３０ｋｇ／ｔ、送風温度：１２００℃、高反応性コークス使用、熱損失を５７％低減、シャフト効率を上記（1）の操業に対して４％アップ）では５１７ｋｃａｌ／Ｎｍ３となる。同計算では、上記（2）および（3）の操業において、高炉炉頂ガスの温度は１１０℃以下となる。そこで、例えば、炉頂部から排出された高炉ガスの一部を抜き出し、酸素で燃焼させた予熱ガスをシャフト部から炉内に吹込み、高炉炉頂ガス温度を１１０℃以上に保持した場合、高炉ガス発熱量はさらに低下する。例えば、上記（2）の操業において、８００℃の予熱ガスを１００Ｎｍ３／ｔ吹込んだ場合、高炉ガス発熱量は５９０ｋｃａｌ／Ｎｍ３となり、また、上記（3）の操業において、８００℃の予熱ガスを１５０Ｎｍ３／ｔ吹込んだ場合、高炉ガス発熱量は４７７ｋｃａｌ／Ｎｍ３となる。このような低ＲＡＲ操業による高炉ガス発熱量の低下は、上記のような従来の一般的なガスバーナによる安定した燃焼をさらに困難とする。
また、通常の高炉は４〜５ｋｇ／ｃｍ２の加圧下で操業されるとともに、高炉上部から装入物が降下するため常時圧力変動がある。また、高炉炉壁への付着物の生成に起因する吹抜け等も発生する。上記のような従来の一般的なガスバーナでは、これらの要因によっても火炎の安定性が阻害され、吹き消え等も起こるおそれがある。
【００５６】
以上のような従来の一般的なガスバーナの問題に対して、本発明において管状火炎バーナタイプのガス燃焼・吹込装置ａを用い、且つ燃料ガスとして用いられる高炉ガスに水素を加えて安定燃焼させることにより、次のような効果が得られる。
（a）燃焼室１内でガスが燃焼し、燃焼室１の外側には火炎が存在しないので、高炉上部から降下する装入物（鉄鉱石、コークス）に直接火炎があたらず、装入物に与える影響が少ない。また、同じく燃焼室１の外側に火炎が存在しないので、高炉の炉内圧やその変動、吹抜けなどに影響されることなく、安定した火炎が形成され、所望の温度の燃焼ガスを炉内に安定的に吹き込むことができる。
【００５７】
（b）炉内に吹き込む予熱ガスは、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り、したがって、実質的にガス燃焼・吹込装置ａの燃焼室１内では加圧下でガス燃焼が生じることが必要であるが、このように燃焼室１が加圧状態になることにより、特に高炉ガスを安定して燃焼させるのに有利な条件となる。ガス燃焼・吹込装置ａでは、燃焼室１内に安定的な火炎が形成され、高炉ガスと支燃ガスとの混合性もよいため、ガスを効率的且つ均質に燃焼させることが可能であるが、特に、上述したように燃焼室１が加圧状態になることにより、標準状態での発熱量に対して、ガス密度が増加することから見掛けの発熱量が増加する。このため、燃料ガスが高炉ガスのような低発熱量ガスであっても、高炉ガス中への水素の添加と相俟って、安定して燃焼させることが可能となる。
【００５８】
（c）同じく燃焼室１が加圧状態になることにより、ガス密度が高くなり、高炉ガスの保有する熱量を有効に燃焼ガスに伝えることができる。特に、燃焼室１の内壁面１００付近には未燃焼のガスおよび支燃ガスが存在しているので、燃焼室１の内壁面１００が直接的な伝熱により高温に加熱されることがなく、管壁からの熱損失が少ないことにより、その効果がより高まる。
（d）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。この点、ガス燃焼・吹込装置ａは、燃焼室１内で安定な火炎が形成されることにより酸素利用効率が高く、特に燃焼室１が加圧状態になることにより、酸素利用効率をより高めることが可能となり、理論酸素量より少ない酸素量で安定した燃焼が可能となる。したがって、酸素を含まない若しくは酸素濃度が非常に低い予熱ガスを炉内に吹き込むことができる。
（e）燃焼室１内で安定な火炎が形成されることによって、炉内に吹き込まれる予熱ガス（燃焼ガス）の温度のバラツキが小さく、炉下部からの高炉ガスと炉上部から降下する装入物の温度をばらつきなく上昇させることができる。
【００５９】
通常、高炉ガスを昇圧機２５に導く流路２８には、高炉ガスの組成、温度および圧力などを測定するセンサー２６Ａ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２６Ｂが設置され、これらのセンサー２６Ａ，２６Ｂの測定値に基づき、昇圧機２５a，２６bで昇圧するガス圧力、ガス燃焼・吹込装置ａに投入する支燃ガス量、水素量などが制御される。
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。
【００６０】
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。
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。
【００６１】
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。
【００６２】
本発明は、低発熱量であって且つ至近場所から導入可能な高炉ガスをガス燃焼・吹込装置ａの燃料ガスとして用いるものであるが、なかでも、炉頂部から排出された高炉ガスの一部を適当な流路位置から抜き出し、燃料ガスとして用いることが、エネルギーの有効利用（ガス顕熱をそのまま利用できる）の面からも、また、設備面からも特に好ましい実施形態であると言える。また、高炉ガスとしては、ガス清浄装置（ダストキャッチャー２２，ミストセパレータ２３）の下流側から抜き出した高炉ガス、炉頂部とガス清浄装置間から抜き出した高炉ガス、ガスホルダーに貯蔵されている高炉ガスなどを用いてもよい。
【実施例】
【００６３】
［実施例１］
図９に示す構造の燃焼バーナの試験装置を用い、表２に示す条件で、水素を加えた高炉ガスおよび支燃ガス（空気）を用いた燃焼試験を行った。この試験装置の燃焼室は、内径：５０ｍｍ、全長：３００ｍｍであり、その内壁面に形成された高炉ガス吹き込み用の開口（ノズルスリット）は長さ：４８ｍｍ、幅：５ｍｍ、同じく支燃ガス吹き込み用の開口（ノズルスリット）は長さ：３１ｍｍ、幅：５ｍｍである。
【００６４】
比較例１では燃料ガスとしてＲＡＲ４４３ｋｇ／ｔ相当の操業での高炉ガスを、比較例２では燃料ガスとしてＲＡＲ４４６ｋｇ／ｔ相当の操業での高炉ガスを、それぞれ用い、燃焼試験を行った。一方、発明例１，３，４では、燃料ガスとしてＲＡＲ４４３ｋｇ／ｔ相当の操業での高炉ガスを用い、これに水素を加えて燃焼試験を行った。また、発明例２では、燃料ガスとしてＲＡＲ４４６ｋｇ／ｔ相当の操業での高炉ガスを用い、これに水素を加えて燃焼試験を行った。いずれも、高炉ガス（発明例では水素を混合した高炉ガス）：３０Ｎｍ３／ｈに対して空気を供給した。
【００６５】
この燃焼試験では、燃焼安定性を以下のような基準で評価した。
○：火炎の脈動もなく圧力変動にも追従し安定燃焼（優）
△：火炎が脈動するが、失火は認められない（良）
×：火炎が脈動し、圧力変動により失火（不可）
その結果を、試験条件とともに表２に示す。これによれば、発明例はいずれも安定的な燃焼が実現されており、特に、断熱火炎温度が７５０℃以上となるように水素を添加した場合には、非常に安定した燃焼が実現されている。
【００６６】
【表２】
0005392230.tif 000007
【００６７】
［実施例２］
燃料ガス用のガスノズルと支燃ガス用のガスノズルを構成するノズル管の本数が異なる燃焼バーナの試験装置を用い、表３に示す条件で、燃料ガス（水素混合高炉ガス）および支燃ガス（空気）を用いた燃焼試験を行った。ここで、各ガスノズルが１本（単一）のノズル管で構成される燃焼バーナとは、図１および図２の実施形態のような構造のガスノズルを有するバーナであり、各ガスノズルが複数本のノズル管で構成される燃焼バーナとは、図４〜図７の実施形態のような構造のガスノズルを有するバーナである。
各燃焼バーナの燃焼室は、内径：５０ｍｍ、全長：７００ｍｍであり、燃料ガス用のガスノズルと支燃ガス用のガスノズルをそれぞれ構成するノズル管の本数は、試験例１：５本、試験例２：４本、試験例３：２本、試験例４：１本、試験例５：４本、試験例６：２本である。
【００６８】
試験例１〜４で使用した燃焼バーナは、燃料ガス吹き込み用のガスノズルを構成するノズル管の内径が１０ｍｍ、同じく支燃ガス吹き込み用のガスノズルを構成するノズル管の内径が１０ｍｍである。試験例５で使用した燃焼バーナは、燃料ガス吹き込み用のガスノズルを構成するノズル管の内径が６ｍｍ、同じく支燃ガス吹き込み用のガスノズルを構成するノズル管の内径が６ｍｍである。試験例６で使用した燃焼バーナは、燃料ガス吹き込み用のガスノズルを構成するノズル管の内径が１０ｍｍ、同じく支燃ガス吹き込み用のガスノズルを構成するノズル管の内径が１０ｍｍである。
【００６９】
燃料ガスとして用いた高炉ガス（水素混合高炉ガス）は、ガス組成がＣＯ：２２vol％、ＣＯ２：２１vol％、Ｈ２：５vol％、Ｎ２：５２vol％であり、発熱量が７９２ｋｃａｌ／Ｎｍ３である。この燃料ガス：３０Ｎｍ３／ｈに対して、理論酸素量が１となるように、支燃ガスとして空気：１９．５Ｎｍ３／ｈを供給した。適用した試験炉の炉内圧は２４５kPaである。
試験例６では、燃料ガス・支燃ガスの吹き込み位置中心からバーナ軸方向で５００ｍｍ離れた位置に希釈ガス用のガスノズル（内径２０ｍｍ）を設けた燃焼バーナを用い、燃焼室から排出される燃焼排ガス温度が８００℃になるように、希釈ガス（高炉ガス）を３３．８Ｎｍ３／ｈ供給した。この希釈ガスの添加により、燃焼ガス組成はＣＯ（還元ガス）を１０．３vol％含むものとなった。
試験例１〜６において、燃焼室内の観察（図９に示すような覗窓からの観察）と燃焼排ガスのガス組成分析を行い、燃焼状況を下記基準で評価した。その結果を、ガスノズルの構成、ガス流量、スワール数Ｓw、燃焼ガス組成（試験例６では、希釈ガスを添加した後のガス組成）などとともに表３に示す。
×：燃焼状況に脈動がみられ、相当量の未燃のＣＯが測定された。
○：安定した燃焼が継続し、未燃のＣＯも殆ど測定されなかった（但し、試験例６のＣＯ濃度は希釈ガス混合によるもの）
【００７０】
【表３】
0005392230.tif 000008
【００７１】
［実施例３］
炉内容積５０００ｍ３の高炉において、図１および図２に示すようなガス燃焼・吹込装置ａを用い、図８に示すような実施形態で本発明を実施した。操業条件は、微粉炭吹込み量：１３０ｋｇ／ｔ、コークス比：３２０ｋｇ／ｔ、送風温度：１１５０℃（湿分：１０ｇ／Ｎｍ３）とし、高反応性コークスを使用した。炉頂ガス発電装置２４の下流側から抜き出した高炉ガス（ＣＯ：１７．７vol％、ＣＯ２：２３．１vol％、Ｈ２：２．４vol％、Ｈ２Ｏ：３．６vol％、Ｎ２：５３．２vol％）を昇圧機２５aで炉内圧より０．２atm高い圧力に昇圧し、ガス吹込部Ａを構成するガス燃焼・吹込装置ａに燃料ガスとして導入した。その際、高炉ガスに対して、水素濃度が４．０vol％になるように水素を添加し、水素混合高炉ガスとした。また、空気を昇圧機２５bで昇圧し、ガス燃焼・吹込装置ａに支燃ガスとして導入した。
【００７２】
ガス燃焼・吹込装置ａでは、水素混合高炉ガス１００Ｎｍ３／ｔを空気３７．８Ｎｍ３／ｔで燃焼させて８００℃の燃焼ガスを生成させ、これを予熱ガスとして炉内に吹き込んだ。ガス燃焼・吹込装置ａでの酸素比は０．７３６であり（理論酸素量に対して）、予熱ガスの組成は、ＣＯ：３．５vol％、ＣＯ２：２７．３vol％、Ｈ２：０．８vol％、Ｈ２Ｏ：５．０vol％、Ｎ２：６３．３vol％である。このような予熱ガスの吹き込みにより、炉頂ガス温度は１４９℃となり、高炉操業での配管内への水分の凝縮も完全に回避され、安定した操業が可能となった。予熱ガスを吹込まない場合は、物質熱収支の計算から９７℃と算出される。
【００７３】
［実施例４］
炉内容積５０００ｍ３の高炉において、図４〜図７に示すようなガス燃焼・吹込装置ａを用い、図８に示すような実施形態で本発明を実施した。高炉操業条件は、実施例３と同様とした。炉頂ガス発電装置２４の下流側から抜き出した高炉ガス（ＣＯ：１７．７vol％、ＣＯ２：２３．１vol％、Ｈ２：２．４vol％、Ｈ２Ｏ：３．６vol％、Ｎ２：５３．２vol％）を昇圧機２５aで炉内圧より０．２atm高い圧力に昇圧し、ガス吹込部Ａを構成するガス燃焼・吹込装置ａに燃料ガスとして導入した。その際、高炉ガスに対して、水素濃度が４．０vol％になるように水素を添加し、水素混合高炉ガスとした。また、空気を昇圧機２５bで昇圧し、ガス燃焼・吹込装置ａに支燃ガスとして導入した。
【００７４】
ガス燃焼・吹込装置ａでは、水素混合高炉ガス７３．６Ｎｍ３／ｔを空気３７．８Ｎｍ３／ｔ（酸素比１．０）で燃焼させるとともに、燃焼室内に希釈ガス（ＢＦＧ）を２６．４Ｎｍ３／ｔ供給することで、８００℃の燃焼ガスを生成させ、これを予熱ガスとして炉内に吹き込んだ。予熱ガスの組成は、実施例３と同等である。このような予熱ガスの吹き込みにより、炉頂ガス温度は１４７℃となり、高炉操業での配管内への水分の凝縮も完全に回避され、安定した操業が可能となった。予熱ガスを吹込まない場合は、物質熱収支の計算から９７℃と算出される。
【符号の説明】
【００７５】
１  燃焼室
２a，２b，２c１，２ｃ２  開口
３a，３b，３c１，３ｃ２  ガスノズル
４  混合室
５  高炉ガス供給管
６  水素供給管
７  支燃ガス供給管
８，９，１０  流量調整弁
１１  流量計
１２  燃焼状況検知装置
１３  点火プラグ
１４  ガスノズル
１５  開口
２０  高炉
２１  羽口
２２  ダストキャッチャー
２３  ミストセパレータ
２４  炉頂ガス発電装置
２５a，２５b  昇圧機
２６Ａ，２６Ｂ  センサー
２７，２８  流路
１００  内壁面
１４０  ノズル管
１５０  開口
２００a，２００b  開口
３００a，３００b  ノズル管
Ａ  ガス吹込部
ａ  ガス燃焼・吹込装置
【図１】
0005392230.tif 000009
【図２】
0005392230.tif 000010
【図３】
0005392230.tif 000011
【図４】
0005392230.tif 000012
【図５】
0005392230.tif 000013
【図６】
0005392230.tif 000014
【図７】
0005392230.tif 000015
【図８】
0005392230.tif 000016
【図９】
0005392230.tif 000017
【図１０】
0005392230.tif 000018
【図１１】
0005392230.tif 000019