(57)【要約】【課題】製鉄所全体でのエネルギーバランスを考慮して、炭酸ガス排出量を設定することができる、還元材比の制御方法を提供すること。【解決手段】少なくとも、コークス炉、高炉、転炉、発電設備、およびスクラップを溶解するための電気炉を備えた製鉄所において、「入力」で、内部要因として、粗鋼生産量、ＣＯ2発生量、前記発電設備による発電量、前記製鉄所で使用する電力量を、外部要因として、スクラップの購入量、電力の購入量、還元材の購入量を考慮して、前記製鉄所内の余裕電力量を算定し、該余裕電力量を用いて「出力」として高炉の還元材比等を決定することを特徴とする還元材比の最適制御方法を用いる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、コークス炉、高炉、転炉、発電設備、およびスクラップを溶解するための電気炉を備えた製鉄所において、
内部要因として、粗鋼生産量、ＣＯ2発生量、前記発電設備による発電量、前記製鉄所で使用する電力量を、
外部要因として、スクラップの購入量、電力の購入量、還元材の購入量を考慮して、
前記製鉄所内の余裕電力量を算定し、
該余裕電力量を用いて高炉の還元材比を決定することを特徴とする還元材比の最適制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製銑・製鋼一貫製鉄所におけるエネルギーの効率的運用および炭酸ガス排出量の低減に関し、特に高炉における還元材比の最適制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、コークス炉、高炉、および転炉を備えた製銑・製鋼一貫製鉄所においては、所内で発生する副生ガスを燃焼させて発電する自家用火力発電設備（以下、「自家発設備」と記載する。）を有し、所内で発生、消費するエネルギーの収支バランスをコンピュータにより演算し、エネルギーの効率的運用を行っている。このために製鉄所にはエネルギーセンターが設置され、コークス炉ガス（ＣＦＧ）、高炉ガス（ＢＦＧ）、転炉ガス（ＬＤＧ）等の各種副生ガス、蒸気、天然ガス、電力等のエネルギーの管理が行われ、自家発設備への副生ガス供給、重油の投入と購買電力によりエネルギーバランスが保たれている。このエネルギー管理は、製銑・製鋼など上工程の各工場からの副生ガス発生量と、副生ガス使用側各工場の需要量の不整合を仲立ちし、安定供給とコストミニマムが追求されており、綿密な計画と突発事態への機動的対処により一貫製鉄所の稼動を支えている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
一方で、一貫製鉄所における炭酸ガス排出量削減については、上工程での石炭、コークスなどの投入炭材量の低減により、銑鉄の生産量あたりの炭材量の比（以下、「還元材比」と記載する。）を低下させることが対策の柱とされて来た。
【特許文献１】特開昭６１−２１７６８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のエネルギー管理では、製鉄所の円滑な稼動とコスト削減の視点から管理が行われているが、製銑・製鋼など上工程における還元材比設定への操業上の要求と合わせて製鉄所全体のエネルギーバランスから最適な還元材比を決定し、エネルギー運用を通じて炭酸ガス排出量を削減する道筋が必ずしも明らかでなかった。すなわち、従来のエネルギー管理では、製鉄所全体でのエネルギーバランスを考慮して、炭酸ガス排出量を削減する還元材比を設定することは困難である。
【０００５】
したが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、製鉄所全体でのエネルギーバランスを考慮して、炭酸ガス排出量を設定することができる、還元材比の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
各製鉄所によって、コークス炉、高炉、転炉等の上工程からの副生ガス発生状況、下工程各工場の副生ガス需要設備のエネルギー効率、等々が異なるため、還元材比と炭酸ガス排出量の間には各製鉄所に固有の関係があり、これらの内部要因の定式化に加えて、外部要因を考慮して、操業に最適な還元材比を決定することが可能である。上記の課題を解決するために本発明は、少なくとも、コークス炉、高炉、転炉、発電設備、およびスクラップを溶解するための電気炉を備えた製鉄所において、内部要因として、粗鋼生産量、ＣＯ2発生量、前記発電設備による発電量、前記製鉄所で使用する電力量を、外部要因として、スクラップの購入量、電力の購入量、還元材の購入量を考慮して、製鉄所内の余裕電力量を算定し、該余裕電力量を用いて高炉の還元材比を決定することを特徴とする還元材比の最適制御方法を用いるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、製鉄所全体のエネルギー運用から還元材比を決定することで、製鉄所全体としての炭酸ガス排出量の最小化を図ることができる。また、炭酸ガス排出量を増加させること無く、粗鋼の生産量を増加させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
自家発設備を有する一貫製鉄所において、発電効率が向上すれば電力が余剰傾向となり、この電力を用いてスクラップを溶解して粗鋼を生産することで、その分の高炉における銑鉄の生産量を削減することができ、これにより粗鋼の生産量を減らすことなく、還元材比を低下させることができることになる。従って、本発明においては、少なくとも、コークス炉、高炉、転炉、発電設備、およびスクラップを溶解するための電気炉（以下「スクラップ溶解炉」と記載する。）を備えた製鉄所における操業を前提として、最適な還元材比を求めることとする。以下に示すように、内部要因、外部要因を考慮してパラメーター化することで、最適な還元材比を計算により求めることが可能である。
【０００９】
図１は、還元材比と製鉄所の炭酸ガス排出量との関係を示すグラフであり、両者には、図に楕円で示されるような、副生ガスの需給等により定まる一定の関係があり、本発明においては、図１に示すように、還元材比を増加させながら炭酸ガスの排出量を削減できる操業条件を求めることが可能である。これに対して従来の技術は、図２に示すように、還元材比を単純に減らすことでのみ炭酸ガスの排出量を削減するものである。
【００１０】
図３に、このような還元材比（ＲＡＲ）決定のフローの一例を示す。本発明においては、少なくとも、コークス炉、高炉、転炉、発電設備、およびスクラップを溶解するための電気炉を備えた製鉄所において、内部要因として、粗鋼生産量、ＣＯ2発生量、発電設備による発電量、製鉄所で使用する電力量を、外部要因として、スクラップの購入量、電力の購入量、還元材の購入量を考慮して、製鉄所内の余裕電力量を算定し、該余裕電力量を用いて還元材比を決定する。
【００１１】
次に、自家発設備とスクラップ溶解炉とを有する一貫製鉄所における、還元材比の最適制御方法の具体的な実施形態を以下に説明する。
【００１２】
高炉およびスクラップ溶解炉を用いて粗鋼を生産する場合、まず製鉄所内の電力バランスを検討する。
Ｗ副生ガス発電：製鉄所の副生ガスによって発電する発電量、
Ｗ自家発：炉頂圧発電（ＴＲＴ）等の自家発電量、
Ｗ所内需要：所内の電力需要、
Ｗ電気炉：スクラップ生産のために電気炉に使用する電力量、
Ｗ余裕電力：発電量から所内需要を差し引いた電力量、
として、電力Ｗのバランスを検討してＷ副生ガス発電、Ｗ自家発、Ｗ所内需要のそれぞれの変動を還元材比の変化分についての一次近似で求め、副生ガスおよび電力について過不足無い最適な還元材比（ＲＡＲ）を決定する。
【００１３】
高炉およびスクラップ溶解炉（電気炉）を用いて粗鋼を生産する場合、所内の電力のバランス、発電量から所内需要を差し引いた量を余裕電力とすると、
Ｗ余裕電力＝Ｗ副生ガス発電＋Ｗ自家発−Ｗ所内需要
となる。また、ある生産バランス（Ｉ）から異なる生産バランス（ＩＩ）へ移行し、最適な還元材比がＲＡＲからΔＲＡＲだけ変化した場合の変動分デルタは、同様に、
ΔＷ余裕電力＝ΔＷ副生ガス発電＋ΔＷ自家発−ΔＷ所内需要
のように表される。
【００１４】
ある生産バランス（Ｉ）から異なる生産バランス（ＩＩ）への移行時には、ＣＯ2排出に関して２つの方向性、すなわち、
Ａ）ＣＯ2削減重視：一定の生産量下で最大限ＣＯ2排出量を削減
Ｂ）生産重視：一定のＣＯ2排出量下で最大限の生産量を増加
があり、現実には諸情勢に応じてＡ、Ｂの間で決定されることになる。
【００１５】
ここで、Ｗ副生ガス発電、Ｗ自家発、Ｗ所内需要の、それぞれの変動分、ΔＷ副生ガス発電、ΔＷ自家発、ΔＷ所内需要については、ΔＲＡＲの一次式で近似され、
ΔＷ副生ガス発電＝ζ×ξ副生ガス発電×ΔＲＡＲ＋C副生ガス発電
ΔＷ自家発＝ζ×ξ自家発×ΔＲＡＲ＋C自家発
ΔＷ所内需要＝ζ×ξ所内需要×ΔＲＡＲ＋Ｃ所内需要
となる。
【００１６】
上記において、ξ、Ｃは製鉄所内の固有の定数で、副生ガス・電力需給等から定まる。ζは、高炉のＣＯ2排出原単位Ｃ高炉とスクラップ溶解炉のＣＯ2排出原単位Ｃスクラップ溶解炉、およびＣＯ2排出に関する方向性により決まる定数で、上記Ａ）の、一定の生産量下で最大限ＣＯ2排出量を削減する場合は、
ζA＝１
上記Ｂ）の、一定のＣＯ2排出量下で最大限の生産量を増加する場合は、
ζB＝Ｃスクラップ溶解炉／Ｃ高炉  ≪  １
である。ζはζAとζBの間で任意に定められる。尚、本実施形態においては、増産をしてＣＯ2排出量も増加するようなケースは対象としない。
【００１７】
従って、ΔＷ余裕電力もΔＲＡＲの一次式で近似され、
ΔＷ余裕電力＝ΔＷ副生ガス発電＋ΔＷ自家発−ΔＷ所内需要＝ζ×ξ副生ガス発電×ΔＲＡＲ＋Ｃ副生ガス発電＋ζ×ξ自家発×ΔＲＡＲ＋Ｃ自家発−（ζ×ξ所内需要×ΔＲＡＲ＋Ｃ所内需要）
であり、
ΔＷ余裕電力＝ζ×（ξ副生ガス発電＋ξ自家発−ξ所内需要）×ΔＲＡＲ＋Ｃ副生ガス発電＋Ｃ自家発−Ｃ所内需要
となる。
【００１８】
この生産バランスの移行に伴う電気炉の消費電力変動分をΔＷ電気炉とすれば、ＲＡＲを調整することにより電力需給に過不足なく移行した場合には、
ΔＷ電気炉＝ΔＷ余裕電力
であるから、ΔＲＡＲは、
ΔＲＡＲ＝ｆ（ΔＷ余裕電力，Ｃ副生ガス発電，Ｃ自家発，Ｃ所内需要，ξ副生ガス発電，ξ自家発，ξ所内需要）
＝（ΔＷ電気炉−Ｃ副生ガス発電−Ｃ自家発＋Ｃ所内需要）／｛ζ×（ξ副生ガス発電＋ξ自家発−ξ所内需要）｝
で定まる。
【実施例１】
【００１９】
製鉄所において、スクラップ溶解炉を設置し、最適な還元材比の検討を行った。上記に記載のξ、Ｃは以下のように表される。
ξ副生ガス発電＝η×(α4−α8)×(Χ0−χ)
ξ自家発＝ＷTRT×(α9/α10)×((Χ0−χ)/ Χ0)/ RAR0
ξ所内需要＝ＷBL×((Χ0−χ)/ Χ0)/ RAR0
Ｃ副生ガス発電＝−η×α5×RAR0×χ
Ｃ自家発＝−ＷTRT
Ｃ所内需要＝−ＷBL
上記において、
Χ0：合計粗鋼生産量、
χ：スクラップ溶解炉生産量、
RAR0：還元材比（変更前）、
η：副生ガス発電の発電効率、
ＷBL：高炉送風動力（スクラップ溶解炉ゼロの場合）、
ＷTRT：高炉炉頂圧発電量（スクラップ溶解炉ゼロの場合）、
α4：微粉炭吹き込みによる副生ガス増加係数、
α5：生産減時の微粉炭減による副生ガス増減係数、
α8：微粉炭吹き込みによる熱風炉燃料ガス増減係数、
α9：微粉炭吹き込みによる炉頂圧発電量増減係数、
α10：生産減による炉頂圧発電量増減係数、
である。上記において、添字’０’はスクラップ溶解炉導入前における値を示す。
【００２０】
生産量一定下でＣＯ2を削減する場合として、スクラップ購入量を４０万トンから６０万トンに増やす場合について計算を行った。スクラップ購入量が４０万トンの場合はＲＡＲ＝５００である。ζ＝１であるので、
ΔＲＡＲ＝（ΔＷ電気炉−Ｃ副生ガス発電−Ｃ自家発＋Ｃ所内需要）／（ξ副生ガス発電＋ξ自家発−ξ所内需要）
＝（46,000+250,000+230,000−350,000）／（15,000+830−640）
＝176,000／15,200
＝12
となる。
【００２１】
スクラップ購入量を２０万トン増加する場合には、ΔＲＡＲ＝１２と求められる。したがって、スクラップ購入量が６０万トンの場合にはＲＡＲ＝５１２となる。計算に用いた具体的な値を表１と、下記に示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
ΔＷ電気炉＝46,000 MWh/年（＠227kWh/t）
ξ副生ガス発電＝η×(α4−α8)×(Χ0−χ)×c＝15,000 MWh/年/(kg-coal/t)
（ｃ：Mcal⇒MWhの換算＝4.18/3600）
ξ自家発＝ＷTRT×(α9/α10)×((Χ0−χ)/ Χ0)/ RAR0＝830 MWh/年/(kg-coal/t)
ξ所内需要＝ＷBL×((Χ0−χ)/ Χ0)/ RAR0＝640 MWh/年/(kg-coal/t)
Ｃ副生ガス発電＝−η×α5×RAR0×χ×c＝−250,000 MWh/年
Ｃ自家発＝−ＷTRT＝−230,000 MWh/年
Ｃ所内需要＝−ＷBL＝−350,000  MWh/年
上記の計算においては有効数字を考慮して適宜四捨五入を行った。
【００２４】
以上のように、スクラップ購入量を２０万トン増やして、粗鋼生産量を変化させずに、ＣＯ2発生量を削減するには、還元材比を５１２ｋｇ／ｔ−ｐとする操業を行なうことが最適であることが計算できる。
【実施例２】
【００２５】
図４に高炉の生産量を４６０万ｔ／年、スクラップ溶解炉の生産量を４０万ｔ／年とした場合の、製鉄所内のエネルギーバランスを、図５に高炉の生産量を４４０万ｔ／年、スクラップ溶解炉の生産量を６０万ｔ／年とした場合の製鉄所内のエネルギーバランスを示す。
【００２６】
図４、５において、１は高炉、２はスクラップ溶解炉であり、図中のグラフは、高炉の生産量の増減による微粉炭使用量の増減３（副生ガスの増減）が、還元材比（ＲＡＲ）変更の増分４（ＲＡＲの増減によるガス増減）に相当することを示している。
【００２７】
実施例１に示すのと同様の計算の結果、図４においては左下に示すように、最適な還元材比は５００ｋｇ／ｔ−ｐであり、この場合のＣＯ2排出量は８６８万ｔ／年となる。また、図５においては、最適な還元材比は５１２ｋｇ／ｔ−ｐであり、この場合のＣＯ2排出量は８５７万ｔ／年となる。図４、図５の場合において、高炉とスクラップ溶解炉との合計粗鋼生産量は同じ５００万ｔ／年であるが、最適な還元材比を設定することで、ＣＯ2の排出量は変化し、図５の操業を行なう方がＣＯ2の排出量を削減できることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】還元材比と製鉄所の炭酸ガス排出量との関係を示すグラフ(本発明)。
【図２】還元材比と製鉄所の炭酸ガス排出量との関係を示すグラフ(従来技術)。
【図３】還元材比（ＲＡＲ）決定のフロー。
【図４】製鉄所内のエネルギーバランスを示す図。
【図５】製鉄所内のエネルギーバランスを示す図。
【符号の説明】
【００２９】
１    高炉
２    スクラップ溶解炉
３    生産量の増減による微粉炭使用量の増減
４    還元材比（ＲＡＲ）変更の増分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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