(57)【要約】【課題】コストの上昇や操業不調をもたらすことなく、様々の種類の石炭について必要最低限の予熱温度を与えることのできる高炉への微粉炭吹き込み方法を提供する。【解決手段】羽口部から補助燃料として予熱した微粉炭を吹き込む高炉への微粉炭吹き込み方法において、石炭の揮発分含有量に応じて、微粉炭の予熱温度を調節する。微粉炭を高炉に多量に吹き込むことが可能となり、高炉の低コスト安定操業に多大な効果を奏する。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽口部から補助燃料として予熱した微粉炭を吹き込む高炉への微粉炭吹き込み方法において、
石炭の揮発分含有量に応じて、微粉炭の予熱温度を調節することを特徴とする高炉への微粉炭吹き込み方法。
【請求項２】
石炭の揮発分含有量が多くなるにしたがって、微粉炭の予熱温度を低くすることを特徴とする請求項１に記載の高炉への微粉炭吹き込み方法。
【請求項３】
微粉炭の予熱温度が、
【数１】
2004238692.tif 000009
ただし
Ｔｃ：必要予熱温度（℃）
ＶＭ：微粉炭の揮発分含有量（ｍａｓｓ％）
ａ，ｂ，ｃ：定数
であることを特徴とする高炉への予熱微粉炭の吹き込み方法。
【請求項４】
羽口部から補助燃料として予熱した微粉炭を吹き込む高炉への微粉炭吹き込み装置において、
微粉炭を予熱する予熱手段と、
石炭の石炭の揮発分含有量に応じて、微粉炭の予熱温度を調節する温度調節手段とを備えることを特徴とする高炉への微粉炭吹き込み装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高炉への微粉炭吹き込み操業に関する。特に燃焼性を向上することにより多量の微粉炭を安定して吹き込むことを可能にするものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高炉において羽口からの補助燃料吹き込みが盛んに行われてきている。特に微粉炭は高価なコークスの使用量低減、およびコークス炉の寿命延長につながるため、溶銑の製造コストを低下させうる手段として注目されている。
【０００３】
上記の理由から、微粉炭多量吹き込みの急速な普及・進歩はめざましいものがある。最近では「材料とプロセス１１（１９９８）ｐ８３４」に見られるように月間微粉炭吹き込み比で２６６ｋｇ／Ｔを記録する超多量吹き込み高炉も出現してきている。
【０００４】
ただし、上記の吹き込み記録は高品位の原燃料を用いるか、微粉炭燃焼の促進のために、送風中の酸素濃度を高くする等の特別な操業条件の下で達成されたものであり、通常の高炉操業条件では、微粉炭吹き込み量は１５０ｋｇ／Ｔ乃至２００ｋｇ／Ｔ程度にとどまっている。
【０００５】
高品位の原燃料の使用や、送風中への酸素の富化は、銑鉄製造コストの上昇をまねくため、高価なコークスに比較して安価な微粉炭を用いることによって得られるコストメリットを相殺し、場合によっては逆に製造コストの上昇を引き起こすことがある。
【０００６】
したがって、高品位の原燃料の使用や、酸素の富化量を増加させずに、多量にかつ安価に高炉へ微粉炭を吹き込む方法が望まれている。
【０００７】
上記の欠点を克服するために、特許文献１（先行技術）に開示された技術がある。先行技術によれば微粉炭を２００℃以上に予熱して吹き込むことにより微粉炭の燃焼性を向上することができる。微粉炭は予熱により熱分解し、爆裂・細粒化する。さらに熱分解ガス放出の痕跡がチャー（チャー：残留する炭素を主成分とする固体）に残り、チャーが多孔質となるために微粉炭の燃焼率が向上するというものである。
【０００８】
【特許文献１】特開平４−３５４８１０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
先行技術には、石炭を２００℃以上に予熱するという技術が示されているのみで、石炭の種類に関する記述が一切無い。最近では微粉炭用の石炭として多種多様なものが用いられてきており、その燃焼性もさまざまである。発明者らの試験によれば予熱温度１５０℃で効果を発現する石炭もあれば、２５０℃まで予熱が必要な石炭もあり、必要予熱温度は必ずしも２００℃と限らないとの結果を得ている。
【００１０】
１５０℃の予熱温度で良い石炭を２００℃まで予熱するのは予熱のために要する熱エネルギーを無駄にし、銑鉄製造コストの上昇につながる。
【００１１】
一方、２５０℃まで予熱が必要な石炭を２００℃までしか予熱しない場合、燃焼性が向上せず、炉頂からのチャーが放出される。チャーすなわち炭素分が高炉内で有効に利用されずに排出されることから、その分コークスを上昇させなければならない。このため、これもコスト上昇につながり好ましくないと言える。
【００１２】
またチャーが高炉から排出されず高炉内に蓄積する場合には、高炉内の粉率が上昇し、したがって通気性が悪化し、高炉の操業を不調にする恐れがある。
【００１３】
本発明は、上記のような問題点を改善するためになされたもので、コストの上昇や操業不調をもたらすことなく、様々の種類の石炭について必要最低限の予熱温度を与えることのできる高炉への微粉炭吹き込み方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、種々の石炭をさまざまな温度で予熱し燃焼試験を実施し、その試験結果を解析することにより、石炭の揮発分含有量と必要予熱温度にある関係のあることを見出した。
【００１５】
すなわち、本発明は使用する石炭の揮発分に応じて予熱温度を調節することを特徴とし、本発明によれば、微粉炭を高炉に多量吹き込むことが可能となり、高炉の低コスト安定操業に多大な効果を奏する。
【００１６】
また本発明の好ましい態様は、石炭の揮発分含有量が多くなるにしたがって、微粉炭の予熱温度を低くすることを特徴とする。
【００１７】
より定量的には、微粉炭の予熱温度を、
【数２】
Ｔｃ＝ａ・ＶＭ２＋ｂ・ＶＭ＋ｃ                                        ・・・（１）
ただし
Ｔｃ：必要予熱温度（℃）
ＶＭ：微粉炭の揮発分含有量（ｍａｓｓ％）
ａ，ｂ，ｃ：定数
に調節することにより微粉炭の燃焼性を改善し、多量吹き込みを可能とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
まず本発明の技術上の意義について説明する。
【００１９】
発明者らは、予熱による石炭の燃焼性改善は、熱分解ガス放出の痕跡がチャー（チャー：残留する炭素を主成分とする固体）に残り、チャーが多孔質となることに起因するとの先行技術の知見に基づき、種々の実験をおこなった。実験を通して、揮発分含有量の多い石炭では、より低温で燃焼性改善効果が発現することを見出した。
【００２０】
高揮発分炭で低温でも効果が発現するのは、石炭中の官能基に関係があると考えた。図１に石炭の構造図を模式的に示す。石炭は非常に複雑な有機高分子化合物であるが、複数の芳香環に水酸基、カルボキシル基等の官能基を持つ構造と考えられている。
【００２１】
この官能基は芳香環に比較して熱分解温度が低い。また官能基は高揮発分炭で多く、低揮発分炭では少ないことが知られている（参考文献：例えばＤ．Ｗ．Ｖａｎ  Ｋｒｅｖｅｌｅｎ：ＣＯＡＬ，Ｔｙｐｏｌｏｇｙ−Ｐｈｙｓｉｃｓ−Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ−Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，（１９９３）ｐ，２５９）。すなわち高揮発分炭では比較的低温で官能基が脱離し、石炭を多孔質に改質するのに対し、低揮発分では高温で芳香環が分解し、炭化水素を放出するまで石炭の改質が生じないことが推定される。
【００２２】
石炭の熱分解反応はいわゆるアレニウス型の反応速度式でまとめられている（２式）。
【００２３】
【数３】
ｋ＝Ａ・ｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）                                  ・・・（２）
ただし、ｋ：石炭熱分解（揮発分放出）の反応速度定数（１／ｓｅｃ）
Ａ：頻度因子（１／ｓｅｃ）
Ｅ：活性化エネルギー（ｋｃａｌ／ｍｏｌ）
Ｒ：気体定数（ｋｃａｌ／（ｍｏｌ・Ｋ））
Ｔ：反応温度（Ｋ）
【００２４】
官能基の脱離反応として２つの水酸基から脱水が生じる反応と芳香環が分解して炭化水素が発生する反応の頻度因子および活性化エネルギーを、表１に示す。（参考文献：Ｃ．Ｙ．Ｗｅｎ，  Ｅ．ＳｔａｎｌｅｙＬｅｅ編：Ｃｏａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ，  Ｉｎｃ．  Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ，（１９７９）ｐ．７７）。
【００２５】
【表１】
2004238692.tif 000002
【００２６】
図２に表１の数値を用いて作成した温度−熱分解速度定数図を示す。熱分解生成物の内、官能基の脱離に由来する脱水反応では、より低温から反応が生ずることがわかる。すなわち官能基量の多い高揮発分炭ではより低温から熱分解生成物が発生し、表面改質が生じることが示唆される。
【００２７】
発明者らは、種々の石炭について予熱前後の燃焼性を調査しその特性を定性的に図３のようにまとめた。燃焼率変化を予熱後燃焼率から予熱前燃焼率を差し引いたものと定義すると高揮発分炭ほど低い温度から予熱効果が現れた。この予熱効果を定量化するために燃焼率変化５％を実現するために必要な予熱温度と揮発分含有量との関係を調査した。結果を表２に示す。燃焼率変化５％を選んだ理由は、図３のように、燃焼率変化は５％上昇までは急激で、５％を超えると上昇率は飽和する傾向にあり、実質的に予熱による効果の上限は５％と考えられることによる。
【００２８】
【表２】
2004238692.tif 000003
【００２９】
表２の結果から揮発分含有量と必要予熱温度の関係を図示すると、図４を得る。最小自乗法により近似式を導出すると、必要予熱温度は、
【数４】
Ｔｃ＝０．０３・ＶＭ２−７．５７・ＶＭ＋４３８                    ・・・（３）
ただし
Ｔｃ：必要予熱温度（℃）
ＶＭ：微粉炭の揮発分含有量（ｍａｓｓ％）
と求めることができる。
【００３０】
次に、この発明の、高炉内への固体燃料吹き込み方法の一実施態様を、図面を参照しながら説明する。
【００３１】
以下、図５により本発明の実施の形態を説明する。図５は、高炉羽口部の断面図であり、羽口１は高炉鉄皮４および耐火物５を貫通して設置されている。高炉の送風は送風支管２および羽口１を介して高炉内に送り込まれる。高炉送風は、羽口１前のコークスを燃焼し、レースウェイ３と呼ばれる燃焼領域を形成する。微粉炭は微粉炭搬送ライン７により搬送され、送風支管２を貫通して設置した吹き込み用ランス６を介して高炉内に吹き込まれる。羽口１およびランス６は高炉１基あたり複数設置されているため、微粉炭は分配器８により分岐されそれぞれの羽口１に吹き込まれる。
【００３２】
微粉炭搬送ライン７の途中に、予熱手段としての微粉炭予熱設備９を設置し所定の温度まで微粉炭を予熱する。図５には例として電熱線１０による予熱方法を示したが、微粉炭と熱交換のできるものであれば特に熱源の指定はなく、望ましくは通常廃棄している熱（たとえば溶融銑鉄や溶融スラグの顕熱など）を用いる。ここで、使用する石炭の揮発分に応じて予熱温度を調節することを特徴とし、より定量的には石炭の予熱温度を、（Ｔｃ＝０．０３・ＶＭ２−７．５７・ＶＭ＋４３８）℃に調節することにより微粉炭の燃焼性を改善し、多量吹き込みを可能とする（ＶＭ：石炭の揮発分含有量ｍａｓｓ％）。石炭の温度調節は、例えば石炭の揮発分に応じて予熱温度を計算するコンピュータ、及びコンピュータが計算した所定の予熱温度に微粉炭がなるように微粉炭予熱設備９を制御する制御装置により行われる。これらコンピュータ及び制御装置が温度調節手段を構成する。
【００３３】
【実施例】
次に、この発明の効果を実証するための試験を行った。以下、この試験方法および試験結果を、図面を参照しながら説明する。
【００３４】
図６は、高炉の羽口近傍を模した微粉炭燃焼試験用の反応炉を示す断面図であり、１１は、反応炉本体、１２は、反応炉本体１１に設けられた羽口、１３は、羽口１２に接続されたブローパイプ、１４は、ブローパイプ１３内に挿入された微粉炭吹込み用ランス、１５は、反応炉本体１１内に充填されたコークス、１６は、ブローパイプ１３に形成された微粉炭採取プローブ用孔であり、ランス１４の先端から４００ｍｍの位置にそれぞれ設けられている。１７は、ブローパイプ１３から反応炉本体１１内に吹き込まれる熱風、１８は、羽口１２先端に形成されたレースウェイ、１９は、反応炉本体１１からの排ガスを示す。
【００３５】
このような反応炉本体１１内に充填されたコークス１５に熱風を吹き込んだ。この熱風は、ブローパイプ１３の上流側からＬＰＧを空気によって燃焼させ、更に、酸素を混合して得られた、高炉におけると同様な酸素濃度のものであった。そして、微粉炭をブローパイプ１３内に吹き込んだ。微粉炭は貯蔵ホッパー２０から吹込みランス１４に至るまでの間に、ヒータ２１で所定温度に予熱して吹き込んだ。実際の予熱温度は熱電対２２により測定した。そして、微粉炭採取プローブ用孔１６に微粉炭採取プローブを挿入して、燃焼過程の微粉炭をサンプリングし、分析して、微粉炭の燃焼率を各予熱温度毎に調べた。燃焼率の定義は、（４）式に示すように、可燃分の消費率として計算した。このときの試験条件を表３に示し、試験設備諸元を表４に示す。
【００３６】
【数５】
2004238692.tif 000004
【００３７】
【表３】
2004238692.tif 000005
【００３８】
【表４】
2004238692.tif 000006
【００３９】
このようにして行った種々の石炭について予熱温度を変化させ、燃焼率を測定した。
【００４０】
【表５】
2004238692.tif 000007
【００４１】
表５は石炭Ａを用いた実施例を示す。本発明にしたがい予熱温度を２６５℃としたところ燃焼率は５．１％上昇した（実施例１）。予熱温度２００℃とすると燃焼率上昇効果は得られなかった（比較例１）。比較例２のように予熱温度を３００℃まで上昇させても実施例１と効果は変わらなかった。この場合、微粉炭燃焼率の向上効果は実施例と同等であるものの、予熱に必要な熱量を多く必要とする。定性的に効果を表現すると表５の最下行のようになる。
【００４２】
【表６】
2004238692.tif 000008
【００４３】
表６は石炭Ｃを用いた実施例を示す。石炭Ｃは揮発分含有量が多く、低い予熱温度でも微粉炭の燃焼率が向上する。本発明にしたがい予熱温度を１７１℃としたところ燃焼率は５．２％上昇した（実施例２）。従来技術にしたがい予熱温度２００℃とすると燃焼率上昇効果は得られたが、実施例２と効果は変わらなかった。この場合も、予熱に必要な熱量を多く必要とすることから、本発明の方が優れていると言える。
【００４４】
【発明の効果】
以上、上記のように、微粉炭を予熱して高炉に吹き込む方法において、石炭の種類（揮発分含有量）に応じ、予熱温度を適正に制御することにより、微粉炭の燃焼率を向上させることができ、安定して微粉炭多量吹き込みを行うことができる。このため、銑鉄製造コストの削減に多大な効果を奏することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】石炭の構造図（模式図）。
【図２】温度−熱分解速度定数の関係を示すグラフ。
【図３】予熱前後の燃焼性の特性を定性的に示すグラフ。
【図４】揮発分含有量と必要予熱温度の関係を示すグラフ。
【図５】高炉羽口部の断面図。
【図６】高炉の羽口近傍を模した微粉炭燃焼試験用の反応炉を示す断面図。
【符号の説明】
１…羽口
２…送風支管
３…レースウェイ
６…吹き込み用ランス
７…微粉炭搬送ライン
８…分配器
９…微粉炭予熱設備（予熱手段）
【図１】
2004238692.tif 000010
【図２】
2004238692.tif 000011
【図３】
2004238692.tif 000012
【図４】
2004238692.tif 000013
【図５】
2004238692.tif 000014
【図６】
2004238692.tif 000015