(57)【要約】高炉設備の高炉本体の内部に羽口から吹き込む高炉吹込み炭であって、酸素原子含有割合（ドライベース）が、１０〜２０重量％であり、平均細孔径が、１０〜５０ｎｍである。
2014020965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉設備の高炉本体の内部に羽口から吹き込む高炉吹込み炭であって、
酸素原子含有割合（ドライベース）が、１０〜２０重量％であり、
平均細孔径が、１０〜５０ｎｍである
ことを特徴とする高炉吹込み炭。
【請求項２】
請求項１に記載の高炉吹込み炭において、
細孔容積が、０．０５〜０．５ｃｍ3／ｇである
ことを特徴とする高炉吹込み炭。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の高炉吹込み炭において、
比表面積が、１〜１００ｍ2／ｇである
ことを特徴とする高炉吹込み炭。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の高炉吹込み炭の製造方法であって、
亜瀝青炭又は褐炭を加熱して水分を除去する乾燥工程と、
前記乾燥工程で乾燥された前記炭を４６０〜５９０℃で乾留する乾留工程と
を行うことを特徴とする高炉吹込み炭の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の高炉吹込み炭の製造方法において、
前記乾留工程で乾留された前記炭を５０〜１５０℃に冷却する冷却工程と、
前記冷却工程で冷却された前記炭を５０〜１５０℃の酸素含有雰囲気中に曝すことにより酸素を化学吸着させて部分酸化させる部分酸化工程と
を行うことを特徴とする高炉吹込み炭の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉吹込み炭及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉設備は、高炉本体の内部に、頂部から鉄鉱石や石灰石やコークス等の原料を装入すると共に、側部の下方寄りの羽口から熱風及び補助燃料として微粉炭（ＰＣＩ炭）を吹き込むことにより、鉄鉱石から銑鉄を製造することができるようになっている。【０００３】
このような高炉吹込み炭としては、例えば、ＫＭｎＯ4，Ｈ2Ｏ2，ＫＣｌＯ3，Ｋ2Ｃｒ2Ｏ4等の酸化剤を微粉炭に予め添加しておくことにより、燃焼効率を向上させて未燃炭素（煤）の発生を抑制できるようにしたものが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。【０００４】
また、例えば、熱風に酸素を富化して高炉本体の内部に羽口から吹き込むようにすることにより、高炉吹込み炭の燃焼性を向上させることが提案されている（例えば、下記特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２２０５１０号公報
【特許文献２】特開２００３−２８６５１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１に記載されている高炉吹込み炭は、上述したような酸化剤を微粉炭にわざわざ添加するため、ランニングコストの増加を招くものとなっている。【０００７】
また、前記特許文献２に記載されている燃焼性向上方法では、熱風に多くの酸素を常に加えながら高炉を運転する必要があるため、やはりランニングコストの増加を招くものとなってしまう。【０００８】
このようなことから、本発明は、低コストで燃焼効率を向上させて未燃炭素（煤）の発生を抑制することができる高炉吹込み炭及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る高炉吹込み炭は、高炉設備の高炉本体の内部に羽口から吹き込む高炉吹込み炭であって、酸素原子含有割合（ドライベース）が、１０〜２０重量％であり、平均細孔径が、１０〜５０ｎｍであることを特徴とする。【００１０】
第二番目の発明に係る高炉吹込み炭は、第一番目の発明において、細孔容積が、０．０５〜０．５ｃｍ3／ｇであることを特徴とする。【００１１】
第三番目の発明に係る高炉吹込み炭は、第一番目又は第二番目の発明において、比表面積が、１〜１００ｍ2／ｇであることを特徴とする。【００１２】
また、前述した課題を解決するための、第四番目の発明に係る高炉吹込み炭の製造方法は、第一番目から第三番目の発明のいずれかの高炉吹込み炭の製造方法であって、亜瀝青炭又は褐炭を加熱して水分を除去する乾燥工程と、前記乾燥工程で乾燥された前記炭を４６０〜５９０℃で乾留する乾留工程とを行うことを特徴とする。【００１３】
第五番目の発明に係る高炉吹込み炭の製造方法は、第四番目の発明において、前記乾留工程で乾留された前記炭を５０〜１５０℃に冷却する冷却工程と、前記冷却工程で冷却された前記炭を５０〜１５０℃の酸素含有雰囲気中に曝すことにより酸素を化学吸着させて部分酸化させる部分酸化工程とを行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る高炉吹込み炭によれば、平均細孔径が１０〜５０ｎｍである、すなわち、含酸素官能基（カルボキシル基、アルデヒド基、エステル基、水酸基等）等のタール生成基が脱離して大きく減少しているものの、酸素原子含有割合（ドライベース）が１０〜２０重量％である、すなわち、主骨格（Ｃ，Ｈ，Ｏを中心とする燃焼成分）の分解（減少）が大きく抑制されていることから、高炉本体の内部に羽口から熱風と共に吹き込むと、主骨格中に酸素原子を多く含むと共に、径の大きい細孔によって熱風の酸素が内部にまで拡散しやすいだけでなく、タール分が非常に生じにくくなっているので、未燃炭素（煤）をほとんど生じることなく完全燃焼することができるので、低コストで燃焼効率を向上させて未燃炭素（煤）の発生を抑制することができる。【００１５】
また、本発明に係る高炉吹込み炭の製造方法によれば、上述した高炉吹込み炭を低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る高炉吹込み炭の製造方法の第一番目の実施形態の手順を表すフロー図である。
【図２】本発明に係る高炉吹込み炭の製造方法の第二番目の実施形態の手順を表すフロー図である。
【図３】亜瀝青炭を窒素雰囲気下で昇温しながら赤外吸収スペクトルを計測したときの、温度と含酸素官能基の含有量割合との関係を表すグラフである。
【図４】本発明炭及び乾燥炭並びに従来炭を燃焼させた後に回収された未燃炭素の割合と、燃焼させた後の燃焼排ガス中の残存酸素濃度（過剰酸素濃度）との関係を表すグラフである。
【図５】本発明炭及び従来炭を完全燃焼させたときの過剰酸素率と燃焼温度との関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る高炉吹込み炭及びその製造方法の実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００１８】
〈第一番目の実施形態〉
本発明に係る高炉吹込み炭及びその製造方法の第一番目の実施形態を図１に基づいて説明する。
【００１９】
本実施形態に係る高炉吹込み炭は、酸素原子含有割合（ドライベース）が、１０〜１８重量％、平均細孔径が、１０〜５０ｎｍ（ナノメートル）（好ましくは、２０〜５０ｎｍ（ナノメートル））となっている。
【００２０】
このような本実施形態に係る高炉吹込み炭は、図１に示すように、亜瀝青炭や褐炭等の低品位石炭（酸素原子含有割合（ドライベース）：１８重量％超、平均細孔径：３〜４ｎｍ）１１を低酸素雰囲気中（酸素濃度：５体積％以下）で加熱（１１０〜２００℃×０．５〜１時間）して乾燥する（乾燥工程Ｓ１１）ことにより水分を除去した後、低酸素雰囲気中（酸素濃度：２体積％以下）で加熱（４６０〜５９０℃（好ましくは、５００〜５５０℃）×０．５〜１時間）して乾留する（乾留工程Ｓ１２）ことにより、生成水や二酸化炭素やタール分等を乾留ガスや乾留油として除去してから、低酸素雰囲気中（酸素濃度：２体積％以下）で冷却（５０℃以下）して（冷却工程Ｓ１３）、微粉砕（粒径：７７μｍ以下（８０％パス））する（微粉砕工程Ｓ１４）ことにより、容易に製造することができる。
【００２１】
このような本実施形態に係る製造方法により製造された高炉吹込み炭１２においては、平均細孔径が１０〜５０ｎｍである、すなわち、含酸素官能基（カルボキシル基、アルデヒド基、エステル基、水酸基等）等のタール生成基が脱離して大きく減少しているものの、酸素原子含有割合（ドライベース）が１０〜１８重量％である、すなわち、主骨格（Ｃ，Ｈ，Ｏを中心とする燃焼成分）の分解（減少）が大きく抑制されていることから、高炉本体の内部に羽口から熱風と共に吹き込むと、主骨格中に酸素原子を多く含むと共に、径の大きい細孔によって熱風の酸素が内部にまで拡散しやすいだけでなく、タール分が非常に生じにくくなっているので、未燃炭素（煤）をほとんど生じることなく完全燃焼することができる。
【００２２】
このため、本実施形態に係る高炉吹込み炭１２では、ＫＭｎＯ4，Ｈ2Ｏ2，ＫＣｌＯ3，Ｋ2Ｃｒ2Ｏ4等の酸化剤を含有させることや、熱風に酸素を富化するようなことをしなくても、燃焼効率を向上させて未燃炭素（煤）の発生を抑制することができる。
【００２３】
したがって、本実施形態によれば、低コストで燃焼効率を向上させて未燃炭素（煤）の発生を抑制することができる。
【００２４】
なお、本実施形態に係る高炉吹込み炭１２においては、平均細孔径が、１０〜５０ｎｍ（好ましくは、２０〜５０ｎｍ）である必要がある。なぜなら、１０ｎｍ未満であると、熱風中の酸素の内部への拡散しやすさが低下して、燃焼性の低下を引き起こしてしまう一方、５０ｎｍを超えると、ヒートショック等で割れて微細になりやすく、高炉本体の内部に吹き込んだときに、割れて微細になってしまうと、高炉本体の内部をガス気流に乗ったまま通過して燃焼することなく排出されてしまうからである。
【００２５】
また、酸素原子含有割合（ドライベース）も１０重量％以上である必要がある。なぜなら、１０重量％未満であると、酸化剤の含有や、熱風の酸素富化をすることなく、完全燃焼させることが難しくなってしまうからである。
【００２６】
さらに、細孔容積が、０．０５〜０．５ｃｍ3／ｇであると好ましく、特に０．１〜０．２ｃｍ3／ｇであると非常に好ましい。なぜなら、０．０５ｃｍ3／ｇ未満であると、熱風中の酸素との接触面積（反応面積）が小さく、燃焼性の低下を引き起こしてしまうおそれがある一方、０．５ｃｍ3／ｇを超えると、多くの成分の揮発によってポーラス過ぎて燃焼成分が少なくなり過ぎてしまうからである。
【００２７】
くわえて、比表面積が、１〜１００ｍ2／ｇであると好ましく、特に５〜２０ｍ2／ｇであると非常に好ましい。なぜなら、１ｍ2／ｇ未満であると、熱風中の酸素との接触面積（反応面積）が小さく、燃焼性の低下を引き起こしてしまうおそれがある一方、１００ｍ2／ｇを超えると、多くの成分の揮発によってポーラス過ぎて燃焼成分が少なくなり過ぎてしまうからである。
【００２８】
他方、本実施形態に係る高炉吹込み炭の製造方法においては、前記乾留工程Ｓ１２の乾留温度が、４６０〜５９０℃（好ましくは、５００〜５５０℃）である必要がある。なぜなら、４６０℃未満であると、前記低品位石炭１１から含酸素官能基等のタール生成基を十分に脱離させることができないと共に、平均細孔径を１０〜５０ｎｍとすることが非常に困難になってしまう一方、５９０℃を超えると、前記低品位石炭１１の主骨格（Ｃ，Ｈ，Ｏを中心とする燃焼成分）の分解が顕著になり始め、多くの成分の揮発によって燃焼成分が減少し過ぎてしまうからである。
【００２９】
〈第二番目の実施形態〉
本発明に係る高炉吹込み炭及びその製造方法の第二番目の実施形態を図２に基づいて説明する。なお、前述した実施形態の場合と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した実施形態での説明と重複説明を省略する。
【００３０】
本実施形態に係る高炉吹込み炭は、酸素原子含有割合（ドライベース）が、１２〜２０重量％、平均細孔径が、１０〜５０ｎｍ（好ましくは、２０〜５０ｎｍ）となっている。
【００３１】
このような本実施形態に係る高炉吹込み炭は、図２に示すように、前記低品位石炭（酸素原子含有割合（ドライベース）：１８重量％超）１１を前述した実施形態と同様にして乾燥し（乾燥工程Ｓ１１）、前述した実施形態と同様にして乾留し（乾留工程Ｓ１２）、低酸素雰囲気中（酸素濃度：２体積％以下）で冷却（５０〜１５０℃）してから（冷却工程Ｓ２３）、酸素含有雰囲気中（酸素濃度：５〜２１体積％）に曝す（５０〜１５０℃×０．５〜１０時間）ことにより、酸素を化学吸着させて部分酸化させた後（部分酸化工程Ｓ２５）、前述した実施形態と同様にして微粉砕する（微粉砕工程Ｓ１４）ことにより、容易に製造することができる。
【００３２】
つまり、本実施形態においては、前記乾留工程Ｓ１２で乾留された前記炭を５０〜１５０℃に冷却してから、前記部分酸化工程Ｓ２５で当該炭に酸素を化学吸着させて当該炭を部分酸化させることにより、酸素原子含有割合（ドライベース）を１２〜２０重量％とした高炉吹込み炭２２を得るようにしたのである。
【００３３】
このような本実施形態に係る製造方法により製造された高炉吹込み炭２２においては、前述した実施形態の場合と同様に、平均細孔径が１０〜５０ｎｍである、すなわち、含酸素官能基（カルボキシル基、アルデヒド基、エステル基、水酸基等）等のタール生成基が脱離して大きく減少しているものの、酸素原子含有割合（ドライベース）が１２〜２０重量％である、すなわち、主骨格（Ｃ，Ｈ，Ｏを中心とする燃焼成分）の分解（減少）が大きく抑制されると共に、酸素原子がさらに化学吸着していることから、高炉本体の内部に羽口から熱風と共に吹き込むと、前述した実施形態の場合よりも主骨格が酸素原子をさらに多く含有すると共に、前述した実施形態の場合と同様に、径の大きい細孔によって熱風の酸素が内部にまで拡散しやすいだけでなく、タール分が非常に生じにくくなっているので、前述した実施形態の場合よりも未燃炭素（煤）をさらに生じることなく完全燃焼することができる。
【００３４】
このため、本実施形態に係る高炉吹込み炭２２では、ＫＭｎＯ4，Ｈ2Ｏ2，ＫＣｌＯ3，Ｋ2Ｃｒ2Ｏ4等の酸化剤を含有させることや、熱風に酸素を富化するようなことをしなくても、前述した実施形態の場合よりも、燃焼効率をさらに向上させて未燃炭素（煤）の発生をより確実に抑制することができる。
【００３５】
したがって、本実施形態によれば、前述した実施形態の場合よりも、低コストで燃焼効率を向上させて未燃炭素（煤）の発生を抑制することがさらに確実にできる。
【００３６】
なお、本実施形態に係る高炉吹込み炭２２においては、酸素原子含有割合（ドライベース）が、２０重量％以下である必要がある。なぜなら、２０重量％を超えると、酸素の含有量が多過ぎて、発熱量が低くなり過ぎてしまうからである。
【００３７】
他方、本実施形態に係る高炉吹込み炭の製造方法においては、前記部分酸化工程Ｓ２５の処理温度が、５０〜１５０℃であると好ましい。なぜなら、５０℃未満であると、空気（酸素濃度：２１体積％）雰囲気であっても、部分酸化処理が進行しにくくなってしまい、１５０℃を超えると、酸素濃度が５体積％程度の雰囲気であっても、燃焼反応によって一酸化炭素や二酸化炭素を多く発生させてしまうおそれがあるからである。
【実施例】
【００３８】
本発明に係る高炉吹込み炭及びその製造方法の作用効果を確認するために行った実施例を以下に説明するが、本発明は、各種データに基づいて説明する以下の実施例のみに限定されるものではない。【００３９】
〈Ｎｏ．１：組成分析〉
前述した第一番目の実施形態に係る製造方法で得られた高炉吹込み炭１２（本発明炭）の組成分析（元素分析）を行った。また、比較のため、従来の高炉吹込み炭（ＰＣＩ炭：従来炭）と、第一番目の実施形態において前記乾留工程Ｓ１２を省略して得られた石炭（乾燥炭）との組成分析も併せて行った。その結果を下記の表１に示す。なお、値は、すべてドライベースである。【００４０】
【表１】
2014020965.tif 000003
【００４１】
上記表１からわかるように、本発明炭は、酸素（Ｏ）の割合が乾燥炭よりも小さく、従来炭よりも非常に大きくなっている一方、炭素（Ｃ）の割合が乾燥炭よりも大きく、従来炭よりも小さくなっている。このため、本発明炭は、発熱量が乾燥炭よりも大きく、従来炭よりも小さくなっている。【００４２】
〈Ｎｏ．２：表面状態〉
前述した本発明炭の表面状態（平均細孔径、細孔容積、比表面積）を測定した。また、比較のため、前述した従来炭及び乾燥炭の表面状態も併せて測定した。その結果を下記の表２に示す。【００４３】
【表２】
2014020965.tif 000004
【００４４】
上記表２からわかるように、本発明炭は、平均細孔径が、従来炭及び乾燥炭よりも非常に大きくなっている。【００４５】
〈Ｎｏ．３：含酸素官能基量〉
亜瀝青炭（米国ＰＲＢ炭）を窒素雰囲気下で昇温（１０℃／分）しながら赤外吸収スペクトルを計測することにより、含酸素官能基（ヒドロキシル基（ＯＨ）、カルボキシル基（ＣＯＯＨ）、アルデヒド基（ＣＯＨ）、エステル基（ＣＯＯ））の温度毎の含有割合量を求めた。その結果を図３に示す。なお、横軸は、温度を表し、縦軸は、１１０℃のときの含酸素官能基の全ピーク面積に対する各含酸素官能基のピーク面積の割合を表す。【００４６】
図３からわかるように、上記含酸素官能基、すなわち、タール生成基は、４６０℃になると、ほとんどなくなり、５００℃になると、すべてなくなることが確認された。【００４７】
〈Ｎｏ．４：燃焼性〉
前述した本発明炭を１５００℃の空気で燃焼させたときに残存する未燃炭素の割合と空気の供給流量との関係を求めた。また、比較のため、前述した従来炭及び乾燥炭の場合も併せて求めた。その結果を図４に示す。なお、図４において、横軸は、前記炭を燃焼させた後の燃焼排ガス中の残存酸素濃度、言い換えれば、過剰酸素濃度を表し、縦軸は、前記炭を燃焼させた後に回収された未燃炭素の割合を表す。【００４８】
図４からわかるように、従来炭及び乾燥炭は、過剰酸素濃度が低下するにしたがって、未燃炭素量が次第に増加してしまう。これに対し、本発明炭は、過剰酸素濃度が低下しても、未燃炭素量が増加せず、略完全燃焼できることが確認された。【００４９】
〈Ｎｏ．５：燃焼温度〉
前述した本発明炭を下記の条件で１００％完全燃焼させたときの過剰酸素率と燃焼温度との関係を求めた。また、比較のため、前述した従来炭の場合も併せて求めた。その結果を図５に示す。なお、過剰酸素率Ｏｓは、下記の式（１）で定義される値である。【００５０】
＊燃焼式
Ｃ＋Ｏ2→ＣＯ2
Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ【００５１】
＊燃焼条件
・供給空気温度：１２００℃
・空気酸素濃度：２１ｖｏｌ．％
・石炭供給温度：２５℃
・付着水：２％【００５２】
過剰酸素率Ｏｓ＝（Ｏａ＋Ｏｃ／２）／（Ｃｃ＋Ｈｃ／４）      （１）
ただし、Ｏａは、供給空気中の酸素ガス（分子）のモル流量、Ｏｃは、供給炭中の酸素原子モル流量、Ｃｃは、供給炭中の炭素原子モル流量、Ｈｃは、供給炭中の水素原子モル流量である。【００５３】
図５からわかるように、本発明炭は、発熱量が従来炭よりも少ないものの、従来炭と同一の過剰酸素率の場合、燃焼温度が従来炭よりもむしろ高くなることが確認された。これは、本発明炭が従来炭よりも高い含有酸素割合であることから、従来炭と同一の過剰酸素率にすると、従来炭よりも少ない供給空気量で済ますことができるからである。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明に係る高炉吹込み炭及びその製造方法は、石炭産業や製鉄産業等において極めて有益に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１１  低品位石炭（亜瀝青炭又は褐炭）
１２，２２  高炉吹込み炭
Ｓ１１  乾燥工程
Ｓ１２  乾留工程
Ｓ１３，Ｓ２３  冷却工程
Ｓ１４  微粉砕工程
Ｓ２５  部分酸化工程
【図１】
2014020965.tif 000005
【図２】
2014020965.tif 000006
【図３】
2014020965.tif 000007
【図４】
2014020965.tif 000008
【図５】
2014020965.tif 000009
【国際調査報告】
2014020965.tif 000010
2014020965.tif 000011