(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄含有原料とコークスとを高炉の炉頂から装入し、羽口から空気または酸素富化空気を送風する高炉操業において、
予熱したアンモニアを５０体積％以上１００体積％以下で含むシャフトガスを、高炉のシャフト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】
シャフト部から吹込むガスの温度が２００℃以上、９００℃以下である請求項１に記載の高炉操業方法。
【請求項３】
シャフト部から吹き込むガス中の水素の割合が、Ｈ２／（Ｈ２＋Ｈ２Ｏ）で５ｍｏｌ％以上である、請求項１または２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（低ＲＡＲ）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ＣＯ2削減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。尚、ＲＡＲはReduction Agent Ratioの略であり、銑鉄１トン（以下、「ｔ」と記す）を製造するにあたり、羽口から吹き込まれる燃料と炉頂から装入されるコークスの合計量である。
【０００３】
しかしながら、ＲＡＲが低下すると原理的に送風量が低下し、この結果、高炉の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、亜鉛化合物などの炉壁への付着が助長され、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℃以下となるような場合には、炉頂からの排ガス中の水分が配管内に凝縮する問題が生じる。
【０００４】
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、下記（ａ）〜（ｃ）のような対策が実施される。
（ａ）羽口から吹き込む熱風の酸素富化率を下げ、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）羽口からの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、ＲＡＲを高くする。
【０００５】
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）の対策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）の対策は、わざわざ効率を下げた操業を指向することであり、ＣＯ2削減に関する本来の目的に逆行する。
【０００６】
このように、普通高炉において低ＲＡＲ操業を行う場合、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。
【０００７】
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う高炉）において低ＲＡＲ操業の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開示されている。特許文献１には、製鉄所でガスホルダーに貯蔵されている高炉発生ガス、または高炉発生ガスとコークス炉発生ガスとの混合ガスをシャフトガスとして吹き込むこと、或いは炉頂ガスの一部を循環させてシャフトガスとして吹き込むことなども開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２１４７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載の方法を用いれば、低ＲＡＲ操業を行なう際に炉上部の温度を上昇させることが可能となる。しかし、シャフトガスとして用いているのは、高炉発生ガスである炉頂ガスの一部や、高炉発生ガスとコークス炉発生ガスとの混合ガスであり、炭素を含有するガスである。炭素含有量の少ないシャフトガスを用いれば、ＣＯ2削減にいっそう寄与することができると考えられる。
【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、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、安定操業が可能で、従来以上に炭酸ガス排出量を削減できる、シャフト部からのガス吹き込みを行なう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】
このような課題を解決するための本発明の特徴は、以下の通りである。
［１］鉄含有原料とコークスとを高炉の炉頂から装入し、羽口から空気または酸素富化空気を送風する高炉操業において、予熱したアンモニアをシャフトガスとして高炉のシャフト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。
［２］シャフト部から吹込むガスの温度が２００℃以上、９００℃以下である［１］に記載の高炉操業方法。
［３］シャフト部から吹き込むガス中の水素の割合が、Ｈ２／（Ｈ２＋Ｈ２Ｏ）で５ｍｏｌ％以上である、［１］ないし［２］に記載の高炉操業方法。
【００１２】
なお、以下の本発明で用いるＲＡＲとは、ＣＯ2排出源となる炭素含有化石燃料の総使用量の比であり、アンモニアは還元材であってもＲＡＲからは除外される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、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、鉄鉱石の還元が促進される。これらにより、低ＲＡＲ操業を安定的に実施することができるとともに、排出ＣＯ2量を従来以上に削減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態を示す、高炉の概略図
【図２】Ｆｅ−Ｏ−Ｈ系の状態図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上記のように高炉における低ＲＡＲ操業を行なう際に、炉内の還元効率向上や、炉上部の昇温不良を回避するためにシャフト部からガス吹き込みを行なうが、このシャフトガスとして炭素を含有しないガスを用いることで、排出ＣＯ2量を削減することが可能となると考えられる。炭素を含有しないガスとしてまず候補となるのは水素ガスである。
【００１６】
しかし、水素は輸送が困難であるという問題がある。気体として用いるものであっても、気体の状態での輸送は体積が大きく効率的でないため、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）のように液体の状態で輸送することが望ましいが、このためには低温の貯蔵タンクが必要となる。ＬＮＧの場合、主成分のＣＨ4の沸点が−１６２℃であるのに対し、水素の沸点は−２５３℃であるため、水素の輸送には極低温の貯蔵タンクが必要となり、このようなタンクを用いてトラック等で輸送を行なうことは非常にコスト高であり現実的でない。したがって、水素ガスの利用は、製鉄所内に水素ガスの発生設備があるような、限られた場合にのみ有効な手段であると考えられる。
【００１７】
そこで本発明では、極低温で液化させる必要がないため輸送が容易であり、炭素を含有しないアンモニア（ＮＨ3）をシャフトガスとして用いることに想到し、本発明を完成した。アンモニアは沸点が−３３℃であるため水素に比較して液化がはるかに容易であり、ＬＮＧに比較しても液化が容易である。液化したアンモニアは、輸送が容易であり、貯蔵の際の設備も低コストで建設することができる。またＨ2に比較して、単位体積あたりの水素含有率が高いため効率的であるという特徴もある。
【００１８】
したがって本発明では、鉄含有原料とコークスとを高炉の炉頂から装入し、羽口から空気または酸素富化空気を送風する高炉操業において、予熱したアンモニアをシャフトガスとして高炉のシャフト部から高炉内に吹き込む高炉操業方法を用いることとした。
【００１９】
ここで、アンモニアを予熱する方法としては、代表的な方法として以下のような方法を採用することができる。なお、（１）〜（３）を併用することもできるし、アンモニアの温度を上昇させることができれば下記の方法には限定されない。
（１）アンモニアを高温の熱媒体中を通過させて、アンモニアの顕熱を増大させる。
（２）アンモニアが完全燃焼しない程度の酸素または空気を吹き込んで部分燃焼させ、燃焼熱によってアンモニアを含むガスの温度を上昇させる。
（３）アンモニアを完全燃焼させて、燃焼熱によってアンモニアを含むガスの温度を上昇させた後、改めてアンモニアを混合する。
【００２０】
シャフトガスとしてのＣＯ2削減の量的効果はアンモニアガスの量に比例するため、アンモニアガスの吹き込み量は、炉頂排ガス量の１体積％以上、あるいはシャフトへ吹き込むガスの１０体積％以上とすることが好ましい。
【００２１】
シャフトガスとしてのアンモニアを含むガスの吹き込み温度は、炉頂排ガス温度を露点以上に上昇させる目的から、露点より十分高温な２００℃以上とすることが好ましい。また、国内の一般的な高炉はクーリングステーブと呼ばれる鋳物製の冷却プレートで炉体が覆われているため、鋳物の変態温度である７７０℃を大幅に超えるガスを吹き込むと鋳物の劣化の原因となる。鋳物自身の温度が安定して７７０℃を下回るようにするためには、吹き込みガス温度はガス−装入物間の熱抵抗を考慮しても、９００℃以下に抑制する必要がある。
【００２２】
単に予熱ガスとして使う場合は、アンモニアを空気で完全燃焼させて、Ｈ2ＯとＮ2の排ガスを炉内に投入する方法が最も簡単である。しかし図２に示す状態図からもわかるように、純粋なＨ2Ｏ雰囲気では、せっかく還元されてできたＦｅ3Ｏ4がＦｅ2Ｏ3に再酸化されてしまうことになる。したがって、アンモニアを燃焼させて予熱する場合は、吹込みガス中の水素の割合が、Ｈ2／（Ｈ2＋Ｈ2Ｏ）で５％以上となるようにアンモニアを部分燃焼させる（即ち、Ｈ2、Ｈ2Ｏの他、ＮＨ３とN2の混合ガスとなる）のが好ましい。または、アンモニアに含まれる水素モル比（ＮＨ３→３／２Ｈ2として換算した際の水素のモル量から求めた比）が前記濃度相当以上となるように過剰なアンモニアの雰囲気とするのが好ましい。アンモニアを完全燃焼させて、燃焼熱によってアンモニアを含むガスの温度を上昇させた後、改めてアンモニアを混合する場合も同様である。
【００２３】
アンモニアの分解温度は９００℃程度であることから、炉内装入物が分解温度以上の温度の場所に吹き込むと分解熱を吸収して、水素と窒素に分解する。炉上部の昇温を目的として予熱アンモニアを吹き込む以上、この分解熱の消費を避けるためには炉内の温度が９００℃より低い上部に吹きこむ必要がある。ただし、あまりに原料表面から浅い部分では装入物と熱交換されずに排ガスとなってしまうことから、原料表面から炉口半径長よりも深い位置に吹き込むことが好ましい。さらに好ましくは、予熱ガス温度が炉内での温度分布を乱さないように、所要の予熱ガス温度に対して同じ炉内温度の高さを予め推定または測定して、その高さに吹き込むようにする。
【００２４】
本発明の一実施形態を図１を用いて説明する。
【００２５】
高炉１では、羽口２から送風３と、補助還元材として微粉炭４の吹き込みを行なっている。シャフトガス吹き込み管５から高炉内にアンモニア６の吹き込みを行なうが、このためには、貯蔵タンク７に貯蔵された液体アンモニアを気化して、高炉内に吹込み可能な圧力まで昇圧機８で昇圧後に炉内に吹き込む。吹き込まれたアンモニアは炉内で還元材として作用し還元を促進し、炉頂部のガス量を増加させて炉頂温度の低下を防止する。
【実施例】
【００２６】
炉内容積３２００ｍ3の高炉において、従来操業として、高炉の炉頂から排出される高炉ガス（ＢＦＧ）に空気を混合し部分燃焼させることにより生成した８００℃の予熱ガスをシャフトガスとして１００Ｎｍ3／ｔ-ｐｉｇ（／ｔ-ｐｉｇは、生成した溶銑１トンあたりであることを示す）吹き込むことにより、炉頂ガス温度を１１８℃に維持していた。なお、仮に予熱した高炉ガスの吹き込みを停止した場合の炉頂ガス温度は理論計算上４８℃である。本高炉にてアンモニアに空気を混合し部分燃焼させた８００℃の予熱アンモニアガスを１００Ｎｍ3／ｔ-ｐｉｇ生成して、前記予熱した高炉ガスをすべて置換した場合と５０体積％置換した場合について、炉頂ガス温度および高炉の炉頂からの排出ＣＯ2（高炉ガスＣＯ2）原単位を測定した結果を、高炉ガスの吹込みを停止した場合の計算結果と併せて表１に示す。表１には、夫々の場合に高炉炉頂から排出される高炉ガス成分も示した。
【００２７】
【表１】
0005884156.tif 000002
【００２８】
表１より、本発明によれば、予熱した高炉ガスのみを吹き込む従来の場合と同様に炉頂ガス温度を保持できるとともに、高炉の炉頂からの排出ＣＯ2（高炉ガスＣＯ2）原単位は、シャフトガスを高炉ガスからアンモニアガスへと順次置換したことにより６９７ｋｇ−ＣＯ2／ｔ-ｐｉｇであった高炉からの排出CO2量は、50%置換で６９０ｋｇ−ＣＯ2／ｔ-ｐｉｇ、さらに１００％置換で６８２ｋｇ−ＣＯ2／ｔ-ｐｉｇへ減少した。
【符号の説明】
【００２９】
１    高炉
２    羽口
３    送風
４    補助還元材
５    シャフトガス吹き込み管
６    アンモニア
７    貯蔵タンク
８    昇圧機
９    高炉ガス
【図１】
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【図２】
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