(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉鉄鉱石および炭材を含む原料を焼結機により焼結して焼結鉱を製造する工程と、この焼結鉱を含む高炉装入原料を高炉に装入して高炉操業する工程とを有する高炉操業方法であって、
前記焼結鉱の予備還元率を、前記高炉装入原料の予備還元率が３０％以上になるように、かつ焼結機および高炉において、高炉に装入される焼結鉱として予備還元されていないものを用いた場合に発生するＣＯ２量よりも、所定量以上少ないＣＯ２発生量となるように制御することを特徴とする高炉操業方法。
【請求項２】
前記所定量が１０％であ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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼結鉱を製造し、この焼結鉱を含む高炉装入原料を高炉に装入して高炉操業する高炉操業方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
製鉄法の主流をなす高炉製鉄法は、全必要エネルギーの約８割を石炭等の炭材に依存しており、溶銑製造などに使用された後ＣＯ＋ＣＯ２の形で系外に放出され、その中のＣＯは他の熱源として使用されて最終的にはＣＯ２の状態で排出される。
【０００３】
一方、近年、工業の発達にともなってエネルギー消費量が飛躍的に増加し、地球温暖化問題が顕在化してきており、ＣＯ２削減が社会的ニーズとなっている。１９９７年の「京都議定書」によれば、日本におけるＣＯ２排出量を２０１０年までに１９９０年比で６％削減することが求められている。したがって、日本における最終エネルギー消費の１１％強を占める鉄鋼業においてもＣＯ２削減が強く求められており、なかでも、高炉を含む製銑工程はエネルギー最大消費部門であり、製銑工程におけるＣＯ２削減が極めて重要である。
【０００４】
【発明が解決すべき課題】
しかしながら、従来、焼結機および高炉トータルでのＣＯ２排出量削減の具体的な指針が示されていないのが現状である。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、焼結機および高炉トータルのＣＯ２排出量を有効に削減することができる高炉操業方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記課題を解決すべく種々検討した結果、焼結鉱を予備還元することにより、焼結機の炭材原単位が上昇し高炉での燃料比が低下するが、予備還元率が３０％以上となれば焼結の際の炭材原単位上昇分よりも高炉における燃料比低下分を多くすることが可能であり、それに見合ったＣＯ２量を削減することができることを見出した。すなわち、焼結機および高炉において、高炉に装入される焼結鉱として予備還元されていないものを用いた場合に発生するＣＯ２量よりも所定量少ないＣＯ２発生量となるように、３０％以上の所定の還元率で焼結鉱の予備還元を行えばよいことを見出した。
【０００７】
本発明はこのような知見に基づいて完成されたものであり、粉鉄鉱石および炭材を含む原料を焼結機により焼結して焼結鉱を製造する工程と、この焼結鉱を含む高炉装入原料を高炉に装入して高炉操業する工程とを有する高炉操業方法であって、前記焼結鉱の予備還元率を、前記高炉装入原料の予備還元率が３０％以上になるように、かつ焼結機および高炉において、高炉に装入される焼結鉱として予備還元されていないものを用いた場合に発生するＣＯ２量よりも、所定量以上少ないＣＯ２発生量となるように制御することを特徴とする高炉操業方法を提供するものである。
【０００８】
この場合に、前記所定量は１０％であることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について具体的に説明する。
本発明では、焼結機および高炉トータルとしてＣＯ２の排出量が所定量以上削減されるような還元率で焼結鉱の予備還元を行う。まず、このように予備還元された部分還元焼結鉱を使用することにより高炉の操業がどのように変化するかを高炉に対する総括物質・熱収支を基にしたリストモデルによって説明する。
【００１０】
図１は高炉内部のガス温度分布を示す図であり、図２は部分還元焼結鉱を用いた場合の高炉操業を示すリスト線図である。
【００１１】
図１では、高炉内部のガス温度は炉頂部で約１５０〜２００℃、羽口先で２０００〜２４００℃である。また、シャフト部にはいわゆる熱保存帯と称するほぼ１０００℃一定の温度領域が存在する。この熱保存帯では酸化鉄はＦｅＯ〜Ｆｅ還元平衡から僅かにずれたガス組成および還元段階で存在する。図２において、上段の横軸は高炉のガスの酸化度（換言すれば、炭素原子に対する酸素原子比Ｏ／Ｃ）である。ガスの酸化度は高炉下部でガス組成がＣＯのみの場合は１であり、ガスが酸化鉄を還元しながら上部に移行して最終的に全量ＣＯ２（＋Ｎ２）となった場合は２である。一方縦軸は鉄原子に対する酸素原子比（Ｏ／Ｆｅ）を示す。装入時の最も酸化度の高い状態がＦｅ２Ｏ３（酸化度＝１．５）であり、高炉内で順次還元が進むにつれ、Ｆｅ３Ｏ４（酸化度＝１．３３）、ＦｅＯ（酸化度＝１．０５）となり最終的には金属鉄（酸化度＝０）になる。また、これを還元率で表せばＦｅ２Ｏ３（還元率＝０％）、Ｆｅ３Ｏ４（還元率＝１１．３％）、ＦｅＯ（還元率＝３０％）、金属鉄（還元率＝１００％）である。
【００１２】
図２の下段は酸化鉄のＣＯによる還元平衡図である。横軸は上述と同様ガスの酸化度を表し、縦軸は還元平衡温度を表す。図１より熱保存帯の温度を１０００℃とした場合、図２の下段よりこの温度におけるＦｅ〜ＦｅＯ還元平衡時のガス酸化度（Ｏ／Ｃ）が求められる。鉱石（ＦｅＯ）の酸化度が１．０５であることから図２上段のＷ点が求まる。
【００１３】
一方、酸化度１．５の鉱石（Ｆｅ２Ｏ３）を炉頂より装入した場合、直線ＰＴ−ＰＢ（以下操作線と称す）に沿って鉱石の酸化度およびガスの酸化度が変化する。高炉の燃料比はこの直線の勾配（Ｃ／Ｆｅ）で決定される。高炉の操業が理想的に行われ、還元平衡に到達している場合には、この直線はＷ点に接し、燃料比は最小値をとる。しかし、実際の高炉では酸化鉄の還元は平衡よりずれるため操作線はＷ点を通らず、例えばＰ１点を通る。ここで直線Ｐ０−Ｗと直線Ｐ０−Ｐ１の長さの比（Ｐ０−Ｗ）／（Ｐ０−Ｐ１）は高炉の還元平衡到達度を表し、シャフト効率と称されるものである。通常、高炉のシャフト効率は０．９０〜０．９５程度である。
【００１４】
高炉装入原料の予備還元率を３０％未満とした場合、高炉装入原料の酸化度は１．５より低いから、図２のＰＴに代わってＰＴ″になる。これによりガス組成（酸化度）も低下し、その結果高炉発生ガスの発熱量が上昇する。ただし、この場合は操作線の勾配は変化しないので燃料比は原則的には変化しない。
【００１５】
これに対して、高炉装入原料の予備還元率が３０％を超える場合には、Ｗ点の縦座標は１．０５より低いＷ′点に移行する。シャフト効率一定と仮定すると、操作線はシャフト効率（Ｐ０−Ｐ１′／Ｐ０−Ｗ′）が一定となるＰ１′点を通ることになり、その結果操作線の勾配は小さくなり燃料比は低下する。
【００１６】
すなわち、高炉装入原料の予備還元率が３０％以上（ＦｅＯと一部金属鉄が存在する還元段階）では予備還元率に応じ高炉の燃料比の低減が可能となり、その結果として高炉発生ガス量（＝ＣＯ２発生量）の削減が可能となる。
【００１７】
ところで、このように焼結鉱の予備還元を行うことは、従来、高炉でほぼ全部を還元していた焼結鉱の還元の一部を焼結機で行うことを意味する。ここで、高炉装入原料の燃料比は上述のように装入原料の予備還元率が３０％を超えると低下するが、焼結機では鉱石の還元に要する炭材が余分に必要となる。この場合に、焼結機では、理想的には炭材が全てＣＯ２になるまで鉄鉱石の還元を行うことができるのに対し、高炉ではＣＯ／ＣＯ２が一定の分配比となるため、鉄鉱石を還元するための炭材は全量ＣＯ２とはならず必ず一定割合でＣＯが発生する。このため、同じ量の鉄鉱石を還元する場合に、高炉での還元のほうが焼結機での還元よりも炭材原単位が高くならざるを得ない。したがって、高炉での燃料比低減によって削減されるＣＯ２発生量のほうが、焼結機の炭材原単位上昇にともなって増加するＣＯ２発生量よりも多くなることとなる。すなわち、高炉操業全体のＣＯ２発生量を削減するためには、焼結鉱を予備還元して高炉装入原料の予備還元率が３０％を超える範囲で、高炉に装入される焼結鉱として予備還元されていないものを用いた場合に焼結機および高炉から発生するＣＯ２量よりも、所定量以上少ないＣＯ２発生量となるような還元率で焼結鉱を予備還元すればよい。この場合に、ＣＯ２削減量を有効なものとするためには、１０％以上少ないＣＯ２量にすることが好ましい。なお、このように高炉における燃料比が低減した場合には、使用するコークス量自体も少なくなるから、実際にはコークス炉におけるＣＯ２発生量も削減され、ＣＯ２削減率はさらに高くなる。
【００１８】
次に、本発明の高炉操業の具体例について説明する。
図３は、本発明の方法の具体例を示す図である。ここでは、擬似粒子製造設備１００で製造した擬似粒子を下方吸引式無端移動型焼結機２００で焼結し、高炉３００へ装入する。
【００１９】
擬似粒子製造設備１００は、粉鉄鉱石を貯留する粉鉄鉱石ホッパ１と、返鉱を貯留する返鉱ホッパ２と、媒溶剤を貯留する媒溶剤ホッパ３と、内層用の粉コークスを貯留する内層用粉コークスホッパ４と、一次ドラムミキサ５と、ディスクペレタイザ６と、外層用の粉コークスを貯留する外層用粉コークスホッパ７と、二次ドラムミキサ８とを備えている。粉鉄鉱石ホッパ１から供給される粉鉄鉱石と返鉱ホッパ２から供給される返鉱が焼結原料を構成する。
【００２０】
擬似粒子を製造する際には、各ホッパから焼結原料としての粉鉄鉱石および返鉱、媒溶剤ならびに粉コークスを所定量切り出し一次ドラムミキサ５に供給し、水を添加しながら混合する。つづいて、前記混合原料をディスクペレタイザ６に供給し、水を添加しながら造粒する。これにより、粉鉱石中に粉コークスが分散した状態の生ペレットが形成される。次に、ディスクペレタイザ６で造粒した生ペレットを二次ドラムミキサ８に供給し、水および外層用粉コークスホッパ７から切り出した粉コークスを添加しながら混合する。この混合により、生ペレットの表面に粉コークスが被覆され、擬似粒子が製造される。なお、原料条件に応じ一次ドラムミキサ５で造粒が充分行われる場合は、ディスクペレタイザ６による造粒工程を省略しても良い。
【００２１】
このようにして製造された擬似粒子は、図４に示すように、焼結原料２１中に粉コークス２２が分散した状態の内層２３と粉コークスからなる外層２４との２層構造を有し、粒径が２〜２０ｍｍである。
【００２２】
一方、下方吸引式無端移動型焼結機２００は、無端移動式の移動グレート１１を有しており、その移動グレート１１上に、装入システム１０により上記擬似粒子が供給され、層状のベッド１３ａが形成されるようになっている。移動グレート１１の移動経路には点火炉１２が設けられており、移動グレート１１上の擬似粒子がその点火炉１２を通過する際に点火されてベッド１３ａの焼結が開始され、焼結ベッド１３ｂが形成される。移動グレート１１の出口側には、図示しない塊砕機が設けられており、この塊砕機により移動グレート１１から落下した焼結鉱が粉砕されてコンベア１４に供給され、高炉３００へ供給される。
【００２３】
移動グレート１１の直下には、移動グレート１１の進行方向に沿って、複数の風箱１５が配列されており、各風箱１５には垂直ダクト１６が接続されている。これら垂直ダクト１６は、水平に配置された主排ガスダクト１７に接続され、排ガスが主排ガスダクト１７を経て排出されるようになっている。主排ガスダクト１７には排ガス循環路１８が設けられており、この排ガス循環路１８は焼結ベッド１３の上方のガス供給部１９に接続されており、焼結の際に排ガスが循環されるようになっている。排ガスは、メインブロア３１により、主排ガスダクト１７から電気集塵機３０等を経て煙突３２から排出される。
【００２４】
この下方吸引式無端移動型焼結機２００の移動グレート１１上に装入システム１０を介して上記擬似粒子が供給され、焼結される。焼結にあたっては移動グレート１１上に擬似粒子のベッド１３ａを形成し、点火炉１２によりベッド１３ａ表面に点火し、風箱１５を介して下向きに空気を吸引しながら焼成し、焼結鉱の集合体である焼結ベッド１３ｂを形成する。このようにして焼結された後、移動グレート１１から焼結鉱が落下し、出口側の塊砕機により落下した焼結鉱が粉砕されてコンベア１４に供給され、高炉３００へ供給される。
【００２５】
このような焼結処理の際には、排ガス循環路１８およびガス供給部１９を介して排ガスを循環させることが好ましい。このように排ガスを循環させることにより系内の酸素分圧を下げることができ、炭材の燃焼を抑制しつつ焼結および還元を進行させることができ生産性を向上させることができる。
【００２６】
擬似粒子として上述したように焼結原料２１中に粉コークス２２が分散した内層２３と粉コークスからなる外層２４との２層構造のものを用いた場合には、擬似粒子の焼結の際に、内層２３の焼結原料２１中に分散した粉コークス２２が主に焼結原料の還元に寄与し、外層２４の粉コークスが主に焼結に寄与する。すなわち、内層の粉コークスと外層の粉コークスとで機能が分離され、還元と焼結とが同時に進行する。本発明者等の検討結果によれば、内層２３での還元反応では、気・固反応よりもむしろ固・固反応が主体となって進行し、このような場合、還元反応は内層の粉コークス２２の粒子径に依存し、粒径が小さいほど還元反応が生じやすくなることが判明した。具体的には、粒径が３ｍｍよりも粗いコークスを使用した場合には、還元反応が抑制され、コークスが内層２３内に残留するが、３ｍｍアンダーのコークスを用いることにより、コークスがほぼ還元反応に消費された。したがって、内層用の粉コークスとしては３ｍｍアンダーのものを用いることが好ましい。この場合に、焼結鉱の予備還元率は主に内層の粉コークスの量によって調節することができる。
【００２７】
なお、高炉装入原料としては、予備還元した部分還元焼結鉱の他、通常焼結鉱等、他の原料を用いることができる。
【００２８】
次に、部分還元焼結鉱を用いた場合の高炉装入原料の予備還元率が高炉操業の操業諸元に及ぼす影響について説明する。ここでは、微粉炭（ＰＣＲ）：２００ｋｇ／ｔ、レースウェイの理論温度（ＴＦＴ）：２１００℃、シャフト効率：９２％、ヒートロス：２５００００ｋｃａｌ／ｔ（一定）としている。
【００２９】
図５は、コークス比（ＣＲ）、鉱石とコークスとの重量比（Ｏ／Ｃ）、送風量、酸素過剰率、炉頂温度、炉頂ガスカロリー、および圧損に対する高炉装入原料の予備還元率の影響を示す図である。なお、各項目について、実線が通常コークスを用いた場合であり、破線が高反応性コークスを用いた場合である。
【００３０】
ＣＲに関しては、上述した燃料比の大部分をなすものであり、上述のように予備還元率が３０％以上で低減しているのがわかる。ただし、予備還元率４０％以上では酸素過剰率が０．７を下回り、シャフト効率を下げ送風量上昇を余儀なくされるため、ＣＲ削減効果が低下する。Ｏ／Ｃに関しては、予備還元率が３０％を超えると予備還元に伴う鉱石の減少よりもＣＲの減少のほうが大きいため上昇に向かう。送風量に関しては、予備還元率が３０％以上では還元に必要なＣＯガス発生量を少なくできるので、大きく低減する。酸素過剰率は送風中の酸素量と微粉炭を完全燃焼させる酸素量との比であるが、予備還元率の上昇による送風量の低減にともない低下する。炉頂温度に関しては、予備還元率の上昇にともない装入物量が相対的に減るので上昇するが、予備還元率３０％以上では炉頂ガス量も同時に減るのでほとんど変化しなくなる。炉頂ガスカロリーは予備還元率３０％までは予備還元率の上昇にともなって上昇するが、予備還元率３０％以上では炉頂ガス量低減にともなって低下する。圧損ΔＰは炉頂からストックライン１０ｍまでの圧損の値であるが、予備還元率３０％以上では送風量の低減にともなって低減する。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
図３に示す擬似粒子製造設備１００および下方吸引式無端移動型焼結機２００により擬似粒子の作成および焼結を行って予備還元率が５０％の部分還元焼結鉱を製造し、高炉に装入する主原料を、部分還元焼結鉱８０ｍａｓｓ％、ペレットｍａｓｓ％、塊鉱石１０ｍａｓｓ％になるようにして高炉操業を行った。この際の条件は、送風温度１２００℃微粉炭吹き込み比（ＰＣＲ）２００ｋｇ／ｔ、羽口先燃焼温度２００℃とした。この際のコークス炉、焼結機および高炉におけるＣＯ２の排出量を求めた。一方、比較のため実質的に予備還元されていない焼結鉱を用いた以外は同様の条件で高炉操業した場合のコークス炉、焼結機および高炉におけるＣＯ２排出量（排出炭素量のＣＯ２換算値）も求めた。これらのＣＯ２排出量を比較して図６に示す。
【００３２】
図６に示すように、部分還元焼結鉱を用いた本発明例の場合には、焼結機におけるＣＯ２排出量が部分還元焼結鉱を用いない比較例の２．２倍となったが、高炉で２６％、コークス炉で１５％ＣＯ２排出量が少なくなったため、コークス炉、焼結機および高炉のトータルでは１２％ＣＯ２を削減することができた。コークス炉からのＣＯ２排出量の差の絶対値は小さいことから、部分還元焼結鉱を用いることにより焼結機および高炉でのＣＯ２削減量はほぼ１２％であった。このように所定の予備還元率の部分還元焼結鉱を用いることにより、予備還元されていない焼結鉱を用いた場合よりも、焼結機および高炉で１２％のＣＯ２量削減が達成できることが確認された。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、焼結機および高炉トータルのＣＯ２排出量を有効に削減することができる高炉操業方法が提供される。したがって、本発明は地球温暖化防止の観点から極めて価値が高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】高炉内のガス温度分布を示す図。
【図２】部分還元焼結鉱を用いた場合の高炉操業を示すリスト線図。
【図３】本発明の方法の具体例を示す図。
【図４】部分還元焼結鉱を製造するための２層構造の擬似粒子を示す断面図。
【図５】高炉におけるコークス比（ＣＲ）、鉱石とコークスとの重量比（Ｏ／Ｃ）、送風量、酸素過剰率、炉頂温度、炉頂ガスカロリー、および圧損に対する高炉装入原料の影響を示す図。
【図６】本発明の効果を示す図。
【符号の説明】
１……粉鉄鉱石ホッパ
２……返鉱ホッパ
３……媒溶剤ホッパ
４……内層用粉コークスホッパ
５……一次ドラムミキサ
６……ディスクペレタイザ
７……外層用粉コークスホッパ
８……二次ドラムミキサ
１０……装入システム
１１……移動グレート
１２……点火炉
１３ａ……ベッド
１３ｂ……焼結ベッド
１８……排ガス循環路
１００……擬似粒子製造設備
２００……下方吸引式無端移動型焼結機
３００……高炉
【図１】
0003642027.tif 000002
【図２】
0003642027.tif 000003
【図３】
0003642027.tif 000004
【図４】
0003642027.tif 000005
【図５】
0003642027.tif 000006
【図６】
0003642027.tif 000007