(57)【要約】【課題】適切に温度が調整された予熱ガスを高炉に吹込むことができる、高炉シャフト部への予熱ガス吹込み装置および予熱ガス吹込み方法を提供する。【解決手段】高炉シャフト部への予熱ガス吹込み装置であって、高炉ガスを昇圧する昇圧機と、昇圧された高炉ガスを燃焼して予熱ガスを生成する燃焼炉と、燃焼炉で生成された予熱ガスを貯蔵する貯蔵室と、貯蔵室に希釈ガスを供給する希釈ガス流路と、高炉シャフト部を囲むように設けられた環状管であるレシーバータンクと、を有し、レシーバータンクは、貯蔵室と、高炉シャフト部の円周方向に設置された複数のガス吹込みノズルとに接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉ガスを昇圧する昇圧機と、
昇圧された高炉ガスを燃焼して予熱ガスを生成する燃焼炉と、
前記燃焼炉で生成された予熱ガスを貯蔵する貯蔵室と、
前記貯蔵室に希釈ガスを供給する希釈ガス流路と、
高炉シャフト部を囲むように設けられた環状管であるレシーバータンクと、
を有し、
前記レシーバータンクは、前記貯蔵室と、高炉シャフト部の円周方向に設置された複数のガス吹込みノズルとに接続されている、高炉シャフト部への予熱ガス吹込み装置。
【請求項２】
前記貯蔵室には、少なくとも前記予熱ガスの温度を測定するセンサが設けられ、
前記貯蔵室と前記レシーバータンクとの間には遮断弁が設けられている、請求項１に記載の高炉シャフト部への予熱ガス吹込み装置。
【請求項３】
高炉ガスを回収し、
前記高炉ガスを昇圧して高圧ガスを生成し、
前記高圧ガスを燃焼して予熱ガスを生成し、
前記予熱ガスを貯蔵室に貯蔵し、
前記貯蔵室に貯蔵された予熱ガスを、高炉シャフト部を囲むように設けられた環状管を通じて高炉シャフト部の円周方向から高炉内に吹込む予熱ガスの吹込み方法であって、
前記貯蔵室に希釈ガスを導入することで、前記貯蔵室に貯蔵された前記予熱ガスの温度を調整する、予熱ガス吹込み方法。
【請求項４】
前記貯蔵室と前記環状管の間に遮断弁が設けられ、
前記予熱ガスの温度が調整された後に、前記遮断弁を開いて前記予熱ガスを前記高炉内に吹込む、請求項３に記載の予熱ガス吹込み方法。
【請求項５】
前記希釈ガスは、前記高圧ガスである、請求項３または請求項４に記載の予熱ガス吹込み方法。
【請求項６】
前記希釈ガスは、窒素である、請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の予熱ガス吹込み方法。
【請求項７】
高炉炉下部の羽口から酸素を吹込む高炉操業方法であって、
請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の予熱ガス吹込み方法で、高炉シャフト部の円周方向から高炉内に予熱ガスを吹込む、高炉操業方法。
【請求項８】
高炉炉下部の羽口から空気または酸素富化空気を吹込む高炉操業方法であって、
請求項３から請求項６のいずれか一項に記載の予熱ガス吹込み方法で、高炉シャフト部の円周方向から高炉内に予熱ガスを吹込む、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シャフト部への予熱ガス吹込み装置、予熱ガス吹込み方法および高炉操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ２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排出量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、吹込み燃料と炉頂から装入されるコークスの合計量）を低下させることは吹込み燃料やコークスの燃焼量を低減することであるので、原理的に羽口からの送風量を低減させることになる。この結果、炉内ガス量は減少し、また炉内ガスの有する熱量も減少する。
【０００３】
高炉へ装入される装入物は、高炉内を上昇する炉内ガスにより昇温されるが、炉内ガスの有する熱量が減少すると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おそれがある。加えて、特にシャフト上部で温度低下が生じると、シャフト上部の内壁に炉内ガスに含まれる亜鉛化合物などが付着する、いわゆる壁付きが助長され、これが炉内ガスの流れを阻害して、高炉内の風圧変動や、高炉内の装入物の降下異常などの炉況不調を招く。また、炉上部の温度が低下して１００℃を下回るような場合には、炉頂ガス中の水分が炉頂ガス配管内に結露し、配管内壁の耐火物の劣化や配管腐食といった問題が生じることもある。
【０００４】
特許文献１には、普通高炉において低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、シャフト部に設けられたガス吹込み部から予熱ガスを吹込む方法が開示されている。
【０００５】
一方、上記した通常の普通高炉とは異なるタイプの高炉として、羽口から常温の純酸素を高炉内に吹込むことにより溶銑を製造する酸素高炉がある（特許文献２参照）。この酸素高炉は、実質的に窒素を含まない高炉ガスを発生させ、これを回収して合成化学工業用ガスとして使用する点に特徴がある。このような酸素高炉では、実質的に窒素を含まない炉内ガスにより装入物の昇温還元を行うが、普通高炉以上に炉内ガス量が少ないので、さらにシャフト上部の装入物の昇温が遅れ、順調な還元が達成されなくなるおそれがある。特許文献３には、このような酸素高炉のシャフト部から吹込むガスとして、酸素高炉の炉頂から発生する高炉ガスを昇圧し、純酸素を用いて燃焼させた予熱ガスを使用することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２７５６２３号公報
【特許文献２】特開昭６０−１５９１０４号公報
【特許文献３】特開昭６２−２７５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
シャフト部へ吹込むガスの成分、温度、圧力は厳密に制御する必要がある。しかしながら、特許文献１および特許文献３に開示されているように高炉ガスの一部を取り出し、燃焼炉で燃焼させると、予熱ガスの温度はシャフト部から吹込むガスの目標温度より高くなりすぎる傾向があり、燃焼炉における燃焼の制御では予熱ガスの温度のばらつきが大きく、予熱ガスの温度を適切に調整するのが困難である、という課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決する本発明の特徴は、以下の通りである。
（１）高炉ガスを昇圧する昇圧機と、昇圧された高炉ガスを燃焼して予熱ガスを生成する燃焼炉と、前記燃焼炉で生成された予熱ガスを貯蔵する貯蔵室と、前記貯蔵室に希釈ガスを供給する希釈ガス流路と、高炉シャフト部を囲むように設けられた環状管であるレシーバータンクと、を有し、前記レシーバータンクは、前記貯蔵室と、高炉シャフト部の円周方向に設置された複数のガス吹込みノズルとに接続されている、高炉シャフト部への予熱ガス吹込み装置。
（２）前記貯蔵室には、少なくとも前記予熱ガスの温度を測定するセンサが設けられ、前記貯蔵室と前記レシーバータンクとの間には遮断弁が設けられている、（１）に記載の高炉シャフト部への予熱ガス吹込み装置。
（３）高炉ガスを回収し、前記高炉ガスを昇圧して高圧ガスを生成し、前記高圧ガスを燃焼して予熱ガスを生成し、前記予熱ガスを貯蔵室に貯蔵し、前記貯蔵室に貯蔵された予熱ガスを、高炉シャフト部を囲むように設けられた環状管を通じて高炉シャフト部の円周方向から高炉内に吹込む予熱ガスの吹込み方法であって、
前記貯蔵室に希釈ガスを導入することで、前記貯蔵室に貯蔵された前記予熱ガスの温度を調整する、予熱ガス吹込み方法。
（４）前記貯蔵室と前記環状管の間に遮断弁が設けられ、前記予熱ガスの温度が調整された後に、前記遮断弁を開いて前記予熱ガスを前記高炉内に吹込む、（３）に記載の予熱ガス吹込み方法。
（５）前記希釈ガスは、前記高圧ガスである、（３）または（４）に記載の予熱ガス吹込み方法。
（６）前記希釈ガスは、窒素である、（３）から（５）のいずれか１つに記載の予熱ガス吹込み方法。
（７）高炉炉下部の羽口から酸素を吹込む高炉操業方法であって、（３）から（５）のいずれか１つに記載の予熱ガス吹込み方法で、高炉シャフト部の円周方向から高炉内に予熱ガスを吹込む、高炉操業方法。
（８）高炉炉下部の羽口から空気または酸素富化空気を吹込む高炉操業方法であって、（３）から（６）のいずれか１つに記載の予熱ガス吹込み方法で、高炉シャフト部の円周方向から高炉内に予熱ガスを吹込む、高炉操業方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る予熱ガス吹込み方法の実施により、温度が適切に調整された予熱ガスを高炉シャフト部から吹込むことができる。これにより、炉況不良を回避でき、通常高炉および酸素高炉の安定操業に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】高炉１０と、本実施形態に係る予熱ガス吹込み装置３０を示す断面模式図である。
【図２】実験例１で用いたオフライン実験装置６０および実験条件の概要を示す模式図である。
【図３】実験例２で用いたオフライン実験装置６０および実験条件の概要を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る高炉シャフト部への予熱ガス吹込み装置を高炉炉下部の羽口から空気または酸素富化空気を吹込むことで溶銑を製造する通常高炉に適用させた実施形態で説明する。図１は、高炉１０と、本実施形態に係る予熱ガス吹込み装置３０を示す断面模式図である。図１に示すように、高炉１０の炉下部には複数の羽口１４が設けられ、複数の羽口１４から補助還元材１６と熱風１７とが高炉内に吹込まれて高炉操業が実施される。
【００１２】
高炉１０の炉頂部から排出される高炉ガスＧ０は、ダストキャッチャー２２で粗粒ダストが除去され、湿式除塵機２４で細粒ダストが除去され、炉頂ガス発電装置２６で高炉ガスＧ０の圧力が電気として回収された後に系外２８へ排出される。
【００１３】
高炉１０には８つのガス吹込みノズル１９が設けられている。８つのガス吹込みノズル１９は、シャフト部１８の炉周方向に等間隔となるように設けられている。ガス吹込みノズル１９には、遮断弁が設けられておらず、開放された状態になっている。何れかのガス吹込みノズル１９の近傍には、高炉１０の炉内圧力および炉内温度を測定するセンサ２０が設けられている。さらに、高炉１０の炉頂にも炉頂圧力および炉頂温度を測定するセンサ２１が設けられている。
【００１４】
本実施形態に係る予熱ガス吹込み装置３０は、昇圧機３２と、燃焼炉３４と、貯蔵室３５と、レシーバータンク３８と、遮断弁３６とを有する。昇圧機３２は、高炉ガスＧ０を昇圧して高圧ガスを生成する。燃焼炉３４は、高圧ガスを燃焼して、予熱ガスを生成する。貯蔵室３５は、予熱ガスを貯蔵する。レシーバータンク３８は、シャフト部１８を囲むように設けられた環状管であって、貯蔵室３５と、高炉シャフト部の円周方向に設置された複数のガス吹込みノズル１９とを接続している。遮断弁３６は、弁を遮断状態と開放状態とに切り替えることができ、開放状態では貯蔵室３５からレシーバータンク３８への予熱ガスの搬送を許容し、遮断状態では貯蔵室３５からレシーバータンク３８への予熱ガスの搬送を停止する。
【００１５】
さらに、予熱ガス吹込み装置３０は、回収流路４０と、高圧ガス流路４２、４３と、予熱ガス流路４４、４５と、センサ５０、５２とを有する。回収流路４０は、高炉ガスＧ０の一部を回収する流路であって、高炉１０の炉頂部とダストキャッチャー２２とを接続する流路から分岐された流路である。高圧ガス流路４２は、昇圧機３２と燃焼炉３４とを接続する流路である。高圧ガス流路４３は、昇圧機３２と貯蔵室３５とを接続する流路である。予熱ガス流路４４は、燃焼炉３４と貯蔵室３５とを接続する流路である。予熱ガス流路４５は、貯蔵室３５とレシーバータンク３８とを接続する流路である。センサ５０は、回収流路４０に設けられ、高炉ガスＧ０の組成、ダスト濃度、温度、圧力を測定する。また、センサ５２は、貯蔵室３５に設けられ、少なくとも予熱ガスの温度を測定する。
【００１６】
予熱ガス吹込み装置３０では、まず、ダストキャッチャー２２に導入される前の高炉ガスＧ０の一部が回収され、回収流路４０を通じて、昇圧機３２に搬送される。昇圧機３２では、高炉ガスＧ０が高炉の炉内圧力以上に昇圧されて高圧ガスが生成される。高圧ガスは、高圧ガス流路４２を通じて燃焼炉３４に搬送される。燃焼炉３４では、高圧ガスに支燃ガス４６が導入されて、高炉ガスＧ０中にダストの一部として含まれる炭素が燃焼されて予熱ガスが生成される。
【００１７】
燃焼炉３４では、高炉内に吹込む予熱ガスとして好ましい温度以上の予熱ガスを生成する。このように、本実施形態では、予熱ガスとして好ましい温度の範囲内になるように燃焼を制御するのではなく、好ましい温度以上になるように燃焼を制御する。予熱ガスの温度を好ましい温度以上になるようにする燃焼の制御は、好ましい温度の範囲内にする燃焼の制御よりも簡易であり、燃焼炉３４において厳密に燃焼の制御をしなくてよい。燃焼炉３４で生成された予熱ガスは、予熱ガス流路４４を通じて貯蔵室３５に搬送される。
【００１８】
センサ５２は、貯蔵室３５に貯蔵されている予熱ガスの温度を測定する。センサ５２で測定された予熱ガスの温度が、高炉内に吹込む予熱ガスとして好ましい温度の範囲を超えている場合、高炉内に吹込む予熱ガスとして好ましい温度の範囲内になるように、高圧ガス流路４３を通じて貯蔵室３５に高圧ガスが導入される。これにより、貯蔵室３５内の予熱ガスの温度が調整される。貯蔵室３５に導入される高圧ガスおよび予熱ガスの混合割合は、センサ５２によって測定される貯蔵室３５の予熱ガス温度と、センサ５０によって測定される高炉ガスの温度とに基づいて決定される。貯蔵室３５に高圧ガスを導入することによる予熱ガスの温度の調整は、高圧ガスおよび予熱ガスの混合割合を調整することで行えるので、燃焼炉３４における燃焼を制御することによる温度の調整よりも容易であって高い精度で予熱ガスの温度を調整できる。貯蔵室３５の容量は、１０秒程度の吹込みができる容量とすることが好ましい。レシーバータンク３５の容量が小さすぎると、燃焼炉３４で生成した予熱ガスの圧力や組成の均一性が悪くなるので好ましくない。また、貯蔵室３５の容量が大きすぎると、設備費が高くなり、経済合理性の観点からは好ましくない。なお、本実施形態における高圧ガスは希釈ガスの一例であり、高炉ガス流路４３は希釈ガス流路の一例である。
【００１９】
また、センサ５２で測定された予熱ガスの温度が、高炉内に吹込む予熱ガスとして好ましい範囲を超えている場合、高炉内に吹込む予熱ガスとして好ましい温度の範囲内になるように、高圧ガスの導入に代え、または、高圧ガスの導入とともに、貯蔵室３５内に窒素４７を導入して予熱ガスの温度を調整してもよい。製鉄所内には窒素の供給配管が設置されているので、窒素４７を導入することによっても、容易であって高い精度で予熱ガスの温度を調整できる。なお、窒素４７は、希釈ガスの他の例であり、窒素を導入するために用いる窒素の供給配管と接続する流路は、希釈ガス流路の他の例である。
【００２０】
また、センサ５２は、貯蔵室３５に貯蔵される予熱ガスの温度とともに圧力および／または組成を測定してもよい。予熱ガスの圧力および組成が予熱ガスとして好ましい範囲内でない場合に、貯蔵室３５に高圧ガスおよび／または窒素４７を導入したり、一部の予熱ガスを不図示の流路を通じて系外２８へ放散させることで、貯蔵室３５の予熱ガスの圧力および組成を調整してもよい。
【００２１】
センサ５２によって測定される予熱ガスの温度、圧力および組成が予熱ガスとして好ましい範囲内の場合には、遮断弁３６の弁が開放状態となり、予熱ガスは、貯蔵室３５からレシーバータンク３８へ搬送される。一方、センサ５２によって測定される予熱ガスの温度、圧力および組成の少なくとも１つが予熱ガスとして好ましい範囲内でない場合には、遮断弁３６の弁が遮断状態となり、予熱ガスの温度、圧力および組成が調整される。なお、予熱ガスの温度、圧力および組成の調整が困難な場合には、不図示の流路を通じて予熱ガスを系外２８へ放散させてもよい。本実施形態において、センサ５０およびセンサ５２は、例えば、温度を測定する温度センサ、圧力を測定する圧力センサおよび組成を測定する赤外線ガス分析センサを含むセンサである。
【００２２】
レシーバータンク３８は、高炉シャフト部１８の周囲を囲むように設けられた環状管であって、８つガス吹込みノズル１９のそれぞれに接続されている。レシーバータンク３８では、搬送された予熱ガスを貯留するとともに、当該レシーバータンク３８を通じて、８つのガス吹込みノズル１９から予熱ガスの吹込みが行われる。本実施形態において、レシーバータンク３８は、予熱ガスのリザーバーとして機能するのに十分な容量を有している。このようなレシーバータンク３８を用いることで、予熱ガスの圧力や組成の均一性を高めることができる。また、燃焼炉３４が高炉１０から離れた位置に設置されたとしても、レシーバータンク３８を通じて、均一な流量で８つのガス吹込みノズルから予熱ガスを高炉内に吹込むことができる。なお、レシーバータンク３８の容量は、３〜１５秒程度の吹込みができる容量とすることが好ましい。レシーバータンク３８の容量が小さすぎると、燃焼炉３４で生成した予熱ガスの圧力や組成の均一性が悪くなるので好ましくない。また、レシーバータンク３８の容量が大きすぎると、高炉でのトラブル時に遮断弁３６が動作した後も、予熱ガスが高炉内に入り続けることになるので好ましくない。
【００２３】
また、レシーバータンク３８は、高炉シャフト部１８の周囲を囲むように設けられているので、レシーバータンク３８から高炉シャフト部に設けられたガス吹込みノズル１９までの流路は、８つのガス吹込みノズル間でほぼ等しくなる。これにより、レシーバータンク３８からそれぞれのガス吹込みノズル１９までの圧力損失の差を小さくすることができ、ガス吹込みノズル１９から吹込まれる予熱ガスの流量をさらに均一にできる。本実施形態では、ガス吹込みノズル１９には遮断弁が設けられていないので、ガス吹込みノズル１９を通じた高炉内への予熱ガスの吹込みは、遮断弁３６によって制御される。すなわち、遮断弁３６の弁が開放状態にされている場合に、ガス吹込みノズル１９から高炉内に予熱ガスが吹込まれ、遮断弁３６の弁が遮断状態にされている場合に、高炉内への予熱ガスの吹込みが停止される。
【００２４】
ガス吹込みノズル１９から高炉内に予熱ガスを吹込むには、予熱ガスの圧力が、吹込む位置における高炉１０の炉内圧力より高いことが必要である。高炉内に予熱ガスを吹込むには、予熱ガスの圧力を高炉の炉内圧力よりも０．０２〜０．１０ＭＰａ以上高くすればよい。高炉の炉内圧力は、センサ２０によって測定できるので、予熱ガスとして好ましい圧力は、センサ２０によって測定される圧力に０．０２〜０．１０ＭＰａ以上を加えた圧力になる。
【００２５】
昇圧機３２で昇圧させる圧力は、センサ５０によって測定された高炉ガスＧ０の圧力と、上記予熱ガスとして好ましい圧力とから定めることができる。回収される高炉ガスＧ０は、高炉の炉頂ガス圧（通常０．２０〜０．２５ＭＰａ）を維持している。このため、高炉ガスＧ０を用いることで、昇圧機３２では軽度に昇圧させるだけで、ガス吹込みノズル１９から高炉内に予熱ガスを吹込むための圧力を確保できる。
【００２６】
また、ガス吹込みノズル１９から高炉内に吹込む予熱ガスの温度が吹込む位置の炉内ガス温度より低いと高炉内を逆に冷やしてしまう。このため、予熱ガスの温度は、吹込む位置における高炉の炉内温度よりも高いことが必要である。このため、予熱ガスの温度を５００℃以上、より好ましくは８００℃以上にすることが好ましい。一方、予熱ガス流速などにも依存するが、予熱ガスの温度を１０００℃以上にすると高炉内のステーブへの熱負荷が大きくなるのでステーブ破損が懸念される。このため、予熱ガスの温度を１０００℃未満にすることが好ましい。
【００２７】
ガス吹込みノズル１９から高炉内に吹込む予熱ガスが酸素を含有すると、高炉内で還元中の鉄酸化物（Ｆｅ２Ｏ３、ＦｅＯ）を再酸化してしまう。このため、酸素濃度の低い予熱ガスを用いることが好ましく、酸素を含まない予熱ガスを用いることがより好ましい。したがって、燃焼炉３４に供給する支燃ガス４６の酸素は、ダストを含む高炉ガス組成から算出される燃焼に必要な理論酸素量を１以下にすることが好ましい。
【００２８】
さらに、ガス吹込みノズル１９から高炉内への予熱ガスの吹込みは、常時行ってもよく、また、センサ２１によって測定される炉頂温度が低下した場合にのみ行ってもよい。炉頂温度が低下したときに予熱ガスの吹込みを行う場合に、例えば、炉頂温度が所定温度以下（例えば、１１０℃以下）になった場合に、ガス吹込みノズル１９から予熱ガスの吹込みを行うとしてもよい。
【００２９】
予熱ガスの吹込み量は、炉頂温度を概ね１００℃以上に維持できるようなガス吹込み量とすればよい。例えば、ＲＡＲ４７０ｋｇ／ｔ相当の高炉操業では、８００℃の予熱ガスを１００Ｎｍ３／ｔ吹込むことによって、炉上部の温度を１００℃以上に維持でき、これにより炉上部の昇温不良を解消できる。
【００３０】
また、高炉内において吹抜けが発生し、炉頂圧力や炉頂温度が急激に上昇した場合に、高炉内からガス吹込みノズル１９を通じて炉内ガス、鉱石、コークス等の逆流が発生する。このため、センサ２１で、炉頂圧力または炉頂温度の少なくとも１つを測定し、予め定められた閾値を超える炉頂圧力または炉頂温度が検出された場合に、遮断弁３６の弁を遮断状態にし、レシーバータンク３８への予熱ガスの搬送を停止する。これにより、炉内ガスやコークスの逆流によって燃焼炉３４が破損することを防止できる。
【００３１】
本実施形態において、高炉１０のシャフト部１８の炉周方向に等間隔となるよう８つのガス吹込みノズル１９を設けた例を示したが、これに限らない。ガス吹込みノズル１９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、予熱ガスの吹込み総量に応じて、前記ｎ箇所のガス吹込みノズル１９のなかから、予熱ガスの吹込みを行うガス吹込みノズル１９を炉周方向に等間隔に選択することが好ましい。この場合のガス吹込みノズル１９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、ガス吹込みノズル１９を炉周方向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があるので、ガス吹込みノズル１９を設置する位置は、炉周方向に等間隔でなくてもよい。
【００３２】
また、ガス吹込みノズル１９の設置位置は、シャフト部１８の中部から上部の範囲内が好ましく、特に、炉口半径をＲ０とし、ストックラインからの深さがＲ０となる位置をｐ１、シャフト部下端からの高さがシャフト部全高の１／３となる位置をｐ２としたとき、炉高方向において位置ｐ１と位置ｐ２との間にガス吹込みノズル１９を設置し、このガス吹込みノズル１９から予熱ガスを吹込むことが好ましい。ガス吹込みノズル１９の設置位置が高すぎると、高炉原料によって形成される鉱石層またはコークス層が堆積されておらず、その荷重が小さいので、予熱ガスを吹込むことで高炉原料が撹拌され、流動化が生じてしまい高炉原料の降下の安定性が損なわれるので好ましくない。一方、ガス吹込みノズル１９の設置位置が下すぎると、予熱ガスの吹込みが高炉内の軟化融着帯にかかる可能性が高くなるので好ましくない。
【００３３】
本実施形態に係る高炉シャフト部への予熱ガス吹込み装置３０および予熱ガス吹込み方法では、高炉内に吹込む予熱ガスを、高炉ガスＧ０を用いて生成している。このように、高炉ガスＧ０を用いることで、高炉ガスＧ０の圧力および温度を利用できるので、昇圧機３２で高圧ガスを生成させるためのエネルギーおよび燃焼炉３４で予熱ガスを生成するためのエネルギーを少なくできる。
【００３４】
また、通常の高炉操業では１０〜３０ｋｇ／ｔ（炭素濃度２０〜３０質量％）のダストが高炉ガスＧ０とともに排出されているので、当該ダストを燃焼炉３４で予熱ガスを生成するための燃料の一部として使用できる。仮に、ダスト排出量原単位が２５ｋｇ／ｔ（炭素濃度２５質量％）であったとすると、２２．９ｋｇ／ｔのＣＯ２排出量を削減できるので、高炉の低ＲＡＲ操業にも寄与できる。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るので、燃焼用の酸素量も減らすことができる。
【００３５】
また、高炉ガスＧ０以外のガスを高炉ガスＧ０とともに燃焼炉３４に導入し、炉内に吹込むための予熱ガスを得てもよい。高炉ガスＧ０以外のガスとしては、例えば、湿式除塵機２４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に破線で示すように、湿式除塵機２４と炉頂ガス発電装置２６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２６の下流側から抜き出した高炉ガスを、昇圧機３２で昇圧して燃焼炉３４に導入する。湿式除塵機２４で処理された高炉ガスを使用する場合は、より清浄なガスを使用することになるので、高圧ガス流路４２、予熱ガス流路４４や燃焼炉３４でのダストの影響を受けにくく、より安定した予熱ガスの吹込みが実施できる。しかしながら、ダストキャッチャー２２および湿式除塵機２４で高炉ガスＧ０の圧力が低下するので、昇圧機３２で高圧ガスを生成させるためのエネルギーが多く必要となる。なお、高炉ガスＧ０以外のガスとして、例えば、製鉄所の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。
【００３６】
以上説明したように、貯蔵室３５で予熱ガスの温度を調整することで、燃焼炉における燃焼の制御よる温度調整よりも容易であって高い精度で予熱ガスの温度を調整できるので、本実施形態に係る高炉シャフト部への予熱ガス吹込み装置および予熱ガス吹込み方法を用いることで、貯蔵室３５で温度が適切に調整された予熱ガスを、レシーバータンク３８を介して高炉内に吹込むことができる。このように温度が適切に調整された予熱ガスを高炉内に吹込むことで、炉上部の昇温不良を解消でき、通常高炉および酸素高炉の安定操業を維持できる。
【００３７】
本実施形態に係る高炉シャフト部への予熱ガス吹込み装置３０では、貯蔵室３５とレシーバータンク３８を接続する予熱ガス流路４４に遮断弁３６を設けて予熱ガスの吹込みを制御する。このように、予熱ガス流路４４に遮断弁３６を設けることによって遮断弁を１つに集約でき、仮に、高炉内で吹抜けが発生してガス吹込みノズル１９から炉内ガス、鉱石、コークス等が逆流しても遮断弁３６の弁を遮断状態にすることで燃焼炉３４に、炉内ガス、鉱石、コークス等が到達することを防止できる。特に、８００℃以上の高温環境下に設置可能な遮断弁は非常に高価であることから、本実施形態に係る高炉シャフト部へのガス吹込み装置を用いることで遮断弁３６の設置数を少なくでき、これにより、高炉１０を含む高炉シャフト部への予熱ガス吹込み装置３０全体の設備コストの上昇を抑制できる。
【００３８】
なお、本実施形態では、高炉シャフト部への予熱ガス吹込み装置３０および予熱ガス吹込み方法を通常高炉に適用した例を示したが、これに限らない。例えば、本実施形態に係る予熱ガス吹込み装置３０および予熱ガス吹込み方法を、羽口１４から常温の純酸素を高炉内に吹込むことにより溶銑を製造する酸素高炉に適用してもよい。但し、酸素高炉において、支燃ガス４６および希釈ガスに窒素を含むガスを用いることは、酸素高炉プロセスに反することになるので、酸素高炉に適用させる場合には、支燃ガス４６として純酸素、希釈ガスとして酸素高炉ガスＧ０を昇圧させた高圧ガスを用いる必要がある。
［実験例１］
【００３９】
図２は、実験例１で用いたオフライン実験装置６０および実験条件の概要を示す模式図である。図２に示すオフライン実験装置６０を用いて、本実施形態に係る高炉シャフト部への予熱ガス吹込み方法を通常高炉に適用させることを想定して検証実験を実施した。
【００４０】
オフライン実験装置６０は、燃焼炉６４と、予熱ガス流路６６と、貯蔵室７０と、予熱ガス流路７４と、センサ６８と、センサ７６とから構成される。まず、空気６１と高炉ガスの成分を模して成分調整された模擬高炉ガス６２を燃焼炉６４へ吹込んで、模擬高炉ガス６２に含まれるＣＯを、空気を用いて燃焼させて予熱ガス（希釈前）６７を生成する。
【００４１】
予熱ガス流路６６は、燃焼炉６４と貯蔵室７０を接続する流路である。燃焼炉６４で生成された予熱ガス（希釈前）６７を、予熱ガス流路６６を通じて貯蔵室７０に搬送する。貯蔵室７０にはセンサ６８が設けられており、当該センサを用いて貯蔵室７０に搬送された予熱ガス（希釈前）６７の温度と成分を測定する。
【００４２】
貯蔵室７６では、希釈ガスとして模擬高炉ガス６２または窒素７２が混合され、予熱ガス６７の温度が調整される。予熱ガス流路７４は、貯蔵室７０とレシーバータンク７８とを接続する流路である。貯蔵室７６で希釈された予熱ガス（希釈後）７４を、予熱ガス流路７４を通じてレシーバータンク７８に搬送する。予熱ガス流路７４にはセンサ７６が設けられており、当該センサを用いて予熱ガス（希釈後）７４の温度と成分を測定する。このように動作するオフライン実験装置６０を用いて、予熱ガス（希釈前）６７と、予熱ガス（希釈後）７４の温度と成分を測定した。その結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
2018131650.tif 000003
【００４４】
実験例１では、燃焼炉６４に模擬高炉ガス６２のＣＯと空気との酸素比が１程度になるように、空気６１と模擬高炉ガス６２を吹込んで、模擬高炉ガス６２に含まれるＣＯを燃焼させた。燃焼炉６４で燃焼されて生成される予熱ガスは、燃焼炉やバーナーの形状に依存するが、１１００〜１３００℃になる。実験例１において予熱ガス（希釈前）６７の温度は１１８０℃であった。１０００℃以上の予熱ガスを高炉に吹込むと高炉内のステーブへの熱負荷が大きくなり、ステーブ破損が発生するので、高炉内に吹込む予熱ガスとして高すぎる温度であった。一方、予熱ガス（希釈前）６７の酸素濃度は０．１質量％以下であり、当該予熱ガスが高炉内に吹込まれたとしても高炉内の還元中の鉄酸化物（Ｆｅ２Ｏ３、ＦｅＯ）の再酸化が懸念される濃度ではなかった。
【００４５】
発明例１では、希釈ガスとして模擬高炉ガス６２を用いた。２０Ｎｍ３／ｈの流量で貯蔵室７０に模擬高炉ガス６２を導入して、予熱ガス（希釈前）６７を希釈した。これにより、予熱ガス（希釈後）７５の温度を、目標温度の１０００℃未満を満足する７９０℃に調整できた。
【００４６】
発明例２では、希釈ガスとして窒素７２を用いた。２０Ｎｍ３／ｈの流量で貯蔵室７０に窒素７２を導入し、予熱ガス（希釈前）６７を希釈した。これにより、予熱ガス（希釈後）７５の温度を、目標温度の１０００℃未満を満足する７７０℃に調整できた。
【００４７】
このように、本実施形態に係る予熱ガス吹込み方法を用いることで、予熱ガスの温度を適切な温度に調整できることが確認され、通常高炉においてもシャフト部へ適切な温度に調整された予熱ガスを吹込むことができ、これにより、通常高炉の安定操業に寄与できることが確認された。
［実験例２］
【００４８】
図３は、実験例２で用いたオフライン実験装置６０および実験条件の概要を示す模式図である。図３に示すオフライン実験装置６０を用いて、本実施形態に係る高炉シャフト部への予熱ガス吹込み方法を酸素高炉に適用させることを想定して検証実験を実施した。
【００４９】
まず、純酸素８０と酸素高炉ガスの成分を模して成分調整された模擬高炉ガス８２を燃焼炉６４へ吹込んで、模擬高炉ガス８２に含まれるＣＯを、酸素を用いて燃焼させて予熱ガス（希釈前）６７を生成する。燃焼炉６４で生成された予熱ガス（希釈前）６７を、予熱ガス流路６６を通じて貯蔵室７０に搬送する。貯蔵室７０にはセンサ６８が設けられており、当該センサを用いて貯蔵室７０に搬送された予熱ガス（希釈前）６７の温度と成分を測定する。
【００５０】
貯蔵室７０では、希釈ガスとして模擬高炉ガス８２が混合され、予熱ガス（希釈前）６７の温度が調整される。貯蔵室７０で希釈された予熱ガス（希釈後）７４を、予熱ガス流路７４を通じてレシーバータンク７８に搬送する。予熱ガス流路７４にはセンサ７６が設けられており、当該センサを用いて予熱ガス（希釈後）７４の温度と成分を測定する。このように動作するオフライン実験装置６０を用いて、予熱ガス（希釈前）６７と、予熱ガス（希釈後）７４の温度と成分を測定した。その結果を表２に示す。
【００５１】
【表２】
2018131650.tif 000004
【００５２】
実験例２では、燃焼炉６４に模擬高炉ガス８２のＣＯと空気との酸素比が１程度になるように、純酸素８０と模擬高炉ガス８２を吹込んで、模擬高炉ガス８２に含まれるＣＯを燃焼させた。実験例２において、予熱ガス（希釈前）６７の温度は１７３０℃であった。１０００℃以上の予熱ガスを高炉に吹込むと高炉内のステーブへの熱負荷が大きくなり、ステーブ破損が発生するので、高炉内に吹込む予熱ガスとして高すぎる温度であった。一方、酸素濃度は、０．１質量％以下であり、高炉内に吹込まれた後に、内部の還元中の鉄酸化物（Ｆｅ２Ｏ３，ＦｅＯ）の再酸化が懸念される濃度ではなかった。
【００５３】
発明例１１では、希釈ガスとして模擬高炉ガス８２を用いた。１６Ｎｍ３／ｈの流量で貯蔵室７０に模擬高炉ガス８２を導入して、予熱ガス（希釈前）６７を希釈した。これにより、予熱ガス（希釈後）７５の温度を、目標温度の１０００℃未満を満足する９５０℃に調整できた。
【００５４】
発明例１２においても、希釈ガスとして模擬高炉ガス８２を用いた。３０Ｎｍ３／ｈの流量で貯蔵室７０に模擬高炉ガス８２を導入して、予熱ガス（希釈前）６７を希釈した。これにより、予熱ガス（希釈後）７５の温度を、目標温度の１０００℃未満を満足する６８０℃に調整できた。
【００５５】
このように、本実施形態に係る予熱ガス吹込み方法を用いることで、予熱ガスの温度を適切な温度に調整できることが確認され、酸素高炉においてもシャフト部へ適切な温度に調整された予熱ガスを吹込むことができ、これにより、通常高炉の安定操業に寄与できることが確認された。
【符号の説明】
【００５６】
１０  高炉
１４  羽口
１６  補助還元材
１７  熱風
１８  シャフト部
１９  ガス吹込みノズル
２０  センサ
２１  センサ
２２  ダストキャッチャー
２４  湿式除塵機
２６  炉頂ガス発電装置
２８  系外
３０  予熱ガス吹込み装置
３２  昇圧機
３４  燃焼炉
３５  貯蔵室
３６  遮断弁
３８  レシーバータンク
４０  回収流路
４２  高圧ガス流路
４３  高圧ガス流路
４４  予熱ガス流路
４５  予熱ガス流路
４６  支燃ガス
４７  窒素
４８  センサ
５０  センサ
５２  センサ
６０  オフライン実験装置
６１  空気
６２  模擬高炉ガス
６４  燃焼炉
６６  予熱ガス流路
６７  予熱ガス（希釈前）
６８  センサ
７０  貯蔵室
７２  窒素
７４  予熱ガス流路
７５  予熱ガス（希釈後）
７６  センサ
７８  レシーバータンク
８０  純酸素
８２  模擬高炉ガス
【図１】
2018131650.tif 000005
【図２】
2018131650.tif 000006
【図３】
2018131650.tif 000007