(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽口から、Ｈを１０質量％以上含有する還元材を吹き込む高炉操業において、
高炉の炉頂から、１１０℃以上に予熱した原料を装入して、高炉の炉頂ガス温度を１１０℃以上に上昇させることを特徴とする高炉操業方法。
【請求項２】
前記還元材は微粉炭を含み、該微粉炭の吹き込み原単位が１５０ｋｇ／ｔを超えることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
【請求項３】
前記Ｈを１０質量％以上含有する還元材由来の水素分として７ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上高炉に吹き込むことを特徴とする請求項２に記載の高炉操業方法。
【請求項４】
前記原料の予熱を、高炉上部に設けた予熱設備内で、該予熱設備内に導入した加熱ガス
により行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の高炉操業方法。
【請求項５】
前記加熱ガスの温度を調整することで、前記予熱設備から排出され高炉に装入される予
熱した原料の温度を調整することを特徴とする請求項４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、羽口から水素含有率の高い還元材を吹き込む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、製鉄業においても排出ＣＯ2の抑制は重要な課題である。高炉は主にコークスおよび微粉炭を還元材として使用しており、炭酸ガス排出抑制を達成するためにはコークス等を水素含有率の高い還元材で置換する方策が有効である。水素含有率の高い還元材を高炉で用いる技術として、高炉にＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）を羽口より吹き込み製銑工程で排出される炭酸ガスを低減させる低炭酸ガス排出製鉄法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
一方、水素による酸化鉄の還元反応は比較的大きな吸熱反応であることが知られている。ＣＯガスおよびＨ2ガスによる酸化鉄還元時の反応および反応熱を以下の（ａ）〜（ｆ）に示す（例えば、非特許文献１参照。）。
３Ｆｅ2Ｏ3＋ＣＯ→２Ｆｅ3Ｏ4＋ＣＯ2（反応熱：＋３８ｋｃａｌ／ｋｇＦｅ）・・・（ａ）
Ｆｅ3Ｏ4＋ＣＯ→３ＦｅＯ＋ＣＯ2（反応熱：−３８ｋｃａｌ／ｋｇＦｅ）・・・（ｂ）
ＦｅＯ＋ＣＯ→Ｆｅ＋ＣＯ2（反応熱：＋６０ ｋｃａｌ／ｋｇＦｅ）・・・（ｃ）
３Ｆｅ2Ｏ3＋Ｈ2→２Ｆｅ3Ｏ4＋Ｈ2Ｏ（反応熱：＋５ｋｃａｌ／ｋｇＦｅ）・・・（ｄ）
Ｆｅ3Ｏ4＋Ｈ2→3ＦｅＯ＋Ｈ2Ｏ（反応熱：−９６ｋｃａｌ／ｋｇＦｅ）・・・（ｅ）
ＦｅＯ＋Ｈ2→Ｆｅ＋Ｈ2Ｏ（反応熱：−１１６ｋｃａｌ／ｋｇＦｅ）・・・（ｆ）
上記の反応式は、羽口からの投入水素量が増え、酸化鉄の還元のうち、水素還元の比率が大きくなっていくとシャフト部の温度が低下し、鉄鉱石、焼結鉱等装入物の低温領域での滞留時間が拡大する可能性があることを示唆している。シャフト部の低温領域の拡大は焼結鉱の還元粉化領域の拡大を意味し、還元による鉄鉱石等の粉化により、通気性および装入物降下挙動を悪化させる。また、炉頂ガスの温度も低下させることが指摘されている。炉頂ガス温度は高炉操業上１１０℃以上であることが望ましく、炉頂ガスの温度が低下すると、高炉ガス中の水分が凝結し、設備腐食をきたす等の問題が発生する。
【０００４】
そもそも、従来の通常の高炉操業では、低温領域はほとんど形成されることはなかった。高微粉炭比操業によって高炉へのインプット水素量が増加するケースはあるが、一般的に微粉炭のコークス置換率は通常で０．９程度であり、吹き込み原単位１５０ｋｇ／ｔを超えるような高微粉炭比の場合、置換率はさらに低下する。ゆえに、微粉炭比を増やす操業の場合はインプット水素量の増加とともに還元材比が増加し、炉上部温度はむしろ上昇するのが一般的であり、低温領域はほとんど形成されないためである。一方で、特許文献１に記載の方法のように、ＬＮＧを羽口より吹き込む方法では、天然ガスのコークス置換率は１．１〜１．２程度であり（例えば、非特許文献２参照。）、天然ガス吹き込み量増加に従って還元材比は低下するため、低温領域の形成が実際に問題となる。
また、高炉で使用される原料には、焼結機やコークス炉において製造されて粒度調整後直接、高炉の原料槽へ送られてくる原料と、製造後一旦ヤードと呼ばれる露天の保管場所にて保管された後に、改めてこれを回収して高炉原料槽へ送られてくる原料、さらには、鉄鉱石の中には、工場に入荷後に粒状のままヤードに保管され、これを回収して粒度調整後に高炉の原料槽へ送られてくる原料もある。これらの原料のうち、ヤードで保管された後に高炉原料槽へ送られてくるものについては、ヤード保管時に雨水等による湿潤が進むことが避けられず、水分含有量が数ｍａｓｓ％となり、中には水分含有量が１０ｍａｓｓ％を超えるような原料もある。
【０００５】
こうした水分量の多い原料を高炉に装入した場合、水分の蒸発潜熱分の熱が必要となり、高炉上部の高炉ガスの顕熱を奪い、高炉上部の温度はより低温化する。また、水素系燃料を多量に使用し、高水分の原料を装入するとさらに低温化が助長される。
【特許文献１】特開平３−２４０９０６号公報
【非特許文献１】「製銑ハンドブック」地人書館  １９７９年、ｐ．７８
【非特許文献２】「材料とプロセス１８」日本鉄鋼協会  ２００５年、ｐ．９８４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、天然ガス等の、水素含有率の高い還元材を使用して、かつ還元材比低下を指向する操業を行なう場合、高炉にインプットされる水素増により炉頂ガス温度が低下するという問題がある。
【０００７】
従って本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、水素含有率の高い還元材を吹き込む高炉操業を行なう際に、炉内の低温領域の拡大と、炉頂ガス温度の低下を防止可能な高炉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】
【０００８】
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。
（Ａ）羽口から、Ｈを１０質量％以上含有する還元材を吹き込む高炉操業において、高炉の炉頂から予熱した原料を装入することを特徴とする高炉操業方法。
（Ｂ）高炉の炉頂ガス温度が１１０℃以上になるように、予熱した原料を装入することを特徴とする（Ａ）に記載の高炉操業方法。
（Ｃ）下記式（１）で得られる炉頂ガス温度が１１０℃以上になる装入原料温度に、前記原料を予熱し装入することを特徴とする（Ａ）または（Ｂ）に記載の高炉操業方法。
炉頂ガス温度（℃）＝０．６８×（装入原料温度（℃））＋５５．８・・・（１）
（Ｄ）前記原料の予熱を、高炉上部に設けた予熱設備内で、該予熱設備内に導入した加熱ガスにより行うことを特徴とする（Ａ）〜（Ｃ）のいずれか１つに記載の高炉操業方法。
（Ｅ）前記加熱ガスの温度を調整することで、前記予熱設備から排出され高炉に装入される予熱した原料の温度を調整することを特徴とする（Ｄ）に記載の高炉操業方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、水素含有率の高い還元材を吹き込む高炉操業において、炉内の低温領域の拡大と、炉頂ガスの温度低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明では、鉄鉱石、焼結鉱、コークスなどの高炉装入原料を予熱し、温度を高めて高炉に炉頂から装入することで、炉内温度を上昇させて、水素含有率の高い還元材を吹き込んだ際に問題となる低温領域の拡大と炉頂温度の低下を防止する。
【００１１】
高炉に装入する鉄鉱石、焼結鉱、コークス等の装入原料の温度は高炉ガス中の水分が凝縮しない温度以上に予熱すればよく、具体的には高炉の炉頂ガスの温度が１１０℃以上になるような温度に装入原料を予熱すればよい。このためには装入原料の温度を１１０℃以上に予熱して装入することが好ましい。温度が高いほど炉頂部の温度低下を防止する効果が高いが、８００℃以上であると耐熱性の問題で設備が破損するおそれがある。そのため、装入原料温度の上限は高炉上部の装入装置等の耐熱温度で決定される。
【００１２】
予熱した装入原料を用いることで、炉内の温度が上昇し、水素含有率の高い還元材を吹き込む高炉操業を行う際にも、低温領域の拡大が抑制されて、炉頂温度の低下を防止することができる。装入原料は予熱されることにより乾燥するので、水分量の多い原料が高炉に装入されることがなくなり、高炉操業において炉内へ投入される熱量を低減することができる。また、予熱されて乾燥した装入原料を、篩い分けして粉状部を除去した後に高炉に装入することで、高炉への粉原料の持込量を低減して炉内のガス流を適正なものとし、これにより高炉の操業を安定させることができるという効果もある。
【００１３】
装入原料の全てについて予熱を行ってもよいが、装入原料の一部についての予熱であっても、炉頂ガスの温度が上昇する効果がある。装入原料の一部について予熱する場合は、予熱による乾燥で除去される粉状部の割合の多い鉄鉱石、焼結鉱について優先して予熱を行うことが好ましい。
【００１４】
高炉装入原料の予熱は、高炉上部のホッパー内で行うことができる。ホッパー内に加熱ガスを導入することで装入原料を予熱することが好ましい。高炉上部のホッパーに装入する前段階で鉱石やコークスを貯留する貯鉱槽、貯骸槽等と呼ばれるホッパー内で予熱することも効果的である。
【００１５】
装入原料の
予熱に用いる加熱ガスとしては、工場で発生する各種の加熱ガスが利用できる。特に３００℃以下程度の比較的低温で排出されて熱回収が困難な排ガスが有効に利用できるため、これを用いることが好ましい。高炉の貯鉱槽、貯骸槽の場合、近隣に焼結機が設置されている場合がほとんどであるので、焼結機のクーラー排ガスを利用すると、送気経路が短く、放熱が少ないため最適であり、特に好ましい。その他、高炉熱風炉排ガス、圧延の加熱炉排ガス等それぞれの工場の立地条件にあわせて適宜加熱ガスを選択できる。もちろん、加熱ガス発生用に燃焼炉、電気炉等を設置して、専用の熱風発生源としても良い。
本発明において水素含有率の高い還元材とは、水素（Ｈ）を質量割合として１０％以上含有する、高炉内において鉄の還元材として作用する物質であり、具体的にはＬＮＧ（Ｈ含有率約２３質量％）、ＣＯＧ（コークスを製造する際に発生するコークス炉ガス：Ｈ含
有率約２５質量％）、ＢＦＧ（高炉ガス：Ｈ含有率０．２〜０．５質量％）の水素含有量を１０質量％以上に高めたＢＦＧ改質ガス、都市ガス（Ｈ含有率約２３質量％）、液化石油ガス（ＬＰＧ：Ｈ含有率約２３質量％）、メタンを改質して得られた合成ガス（ＣＯとＨ2ガスとからなる還元性ガス、Ｈ含有率約１７質量％）等を用いることができる。ＢＦＧ改質ガスとは、ＢＦＧを水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ＝ＣＯ2＋Ｈ2）により改質し、水素含有率が１０質量％以上になるようにＣＯ2、Ｎ2を分離したガスである。ただし、水（Ｈ2Ｏ）の状態の水素は、本発明で用いる水素含有率の高い還元剤から除くものとする。水素ガスを用いることも可能であるが、純粋な水素ガスは、工業的に入手が困難である。入手が容易なガスとして、たとえば液化天然ガスや、都市ガスが望ましく、これらはメタンを主成分（概ねメタン８０体積％以上）とすることが多い。従って、メタンを約４４質量％含むＣＯＧを改質して水素含有量を高めたＣＯＧ改質ガス（Ｈ含有率約６５体積％）は特に水素含有率が高いので、ＣＯＧ改質ガスを羽口から吹き込む高炉操業に本発明を用いることは特に効果的である。上記水素含有率の高い還元材を、水素含有率の高い還元材吹き込み由来の水素分として３ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上、さらに好ましくは７ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上高炉に吹き込むことによって、本発明の効果をより良く発揮することができる。
【００１６】
図１は本発明の一実施形態を示す概略図である。図１を用いて本発明の一実施形態を具体的に説明する。水素含有率の高い還元材を高炉１の羽口２より吹き込む操業を行なう際に、高炉装入原料３を予熱設備４にて予熱し、高炉に装入する。羽口からは送風５を行い、水素含有率の高い還元材６の他に、通常の高炉操業で吹き込みを行なう微粉炭７等も吹き込むことが好ましい。
【００１７】
図２に図１における予熱設備４の一実施態様を示す。装入原料３ａは上部より予熱槽８に装入される。予熱槽８の下部の送気口９より、加熱ガス発生装置１０で発生させた加熱ガスが供給され、予熱槽８内の装入原料を加熱する。加熱ガスは予熱槽８上部の排気口１１より排ガス１２として排出される。予熱槽８の下部より排出される装入原料３ｂの温度を温度計１３で測定し、高炉に装入される装入原料が任意の温度になるように、加熱ガス発生装置１０で加熱ガスの温度を調整する。
【実施例１】
【００１８】
本発明を内容積５０００ｍ3の高炉における各種水素含有還元材吹き込み操業に適用した。出銑比２．３ｔ／ｍ3／ｄ、羽口先温度を２２００℃、微粉炭吹込み量が１６０ｋｇ／ｔの操業において、水素含有還元材としてＬＮＧ（ＣＨ4：８８．５ｖｏｌ％、Ｃ2Ｈ6：４．６ｖｏｌ％、Ｃ3Ｈ8：５．４ｖｏｌ％、その他：１．５ｖｏｌ％）とＣＯＧ（Ｈ2：５８．４５ｖｏｌ％、ＣＯ：６．３５ｖｏｌ％、ＣＨ4：２７．３５ｖｏｌ％、ＣＯ2：１．９２ｖｏｌ％、Ｎ2：２．３１ｖｏｌ％、その他炭化水素：３．６２ｖｏｌ％）、ＣＯＧ改質ガス（Ｈ含有率約６５ｖｏｌ％、ＣＯ含有量３５ｖｏｌ％：Ｈ2含有率約１１．７質量％）、Ｈ2を用い、操業条件を適宜変更して操業試験を行なった。
【００１９】
本発明例１および２は比較例１に対応する実施例であり、装入原料である鉄鉱石、焼結鉱、コークスを２００℃、４００℃に加熱して装入したものである。同様に、実施例３および４は比較例２に、実施例５および６は比較例３に、実施例７および８は比較例４に対応する。各操業の操業条件を表１に示す。
【００２０】
【表１】
0005315732.tif 000002
【００２１】
各操業条件における、高炉の炉頂ガスの量、発熱量、組成、温度を表１に併せて示す。また、各操業における装入原料温度と炉頂ガス温度（ＴＧＴ）との関係を図３にまとめて示す。
【００２２】
図３によれば、炉頂ガス温度１１０℃以上を確保するには、装入原料温度は１１０℃以上とすればよいことが分かる。また、装入原料温度と炉頂ガス温度の関係は、平均すると、
炉頂ガス温度（℃）＝０．６８×（装入原料温度（℃））＋５５．８
の関係で表すことができる。
【００２３】
以上のように、装入原料を加熱により予熱して装入することにより、水素含有還元材を吹き込む操業を行なう際に、炉頂ガス温度の低下を防止可能であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態を示す概略図。
【図２】本発明の予熱設備の一実施形態を示す概略図。
【図３】装入原料温度と炉頂ガス温度の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２５】
１    高炉
２    羽口
３（３ａ、３ｂ）    装入原料
４    予熱設備
５    送風
６    水素含有率の高い還元材
７    微粉炭
８    予熱槽
９    送気口
１０    加熱ガス発生装置
１１    排気口
１２    排ガス
１３    温度計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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