JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）p. 55–60

東日本製鉄所（京浜地区）第 2 高炉における都市ガス吹込み操業
Blast Furnace Operation with Natural Gas Injection
at No. 2 Blast Furnace at East Japan Works (Keihin)
山本 耕司

YAMAMOTO Koji

柏原佑介

KASHIHARA Yusuke JFE スチール

JFE スチール

スチール研究所

築地秀明

TSUKIJI Hideaki

東日本製鉄所（京浜地区） 製銑部製銑工場長

JFE スチール

東日本製鉄所（京浜地区） 製銑部製銑技術室
製銑研究部

主任研究員（係長）

要旨
高炉プロセスにおける生産性向上および CO2 排出量の削減を目的に，高炉における都市ガス吹込みを検討した。
計算と実験による事前検討から，都市ガスの高分解熱に起因する高酸素富化操業，併用する固体還元材の燃焼性向上および鉱石の還元性改善による通気性の改善が生産性向上効果として，また，還元ガス中水素濃度の上昇による炭素系還元材の使用量低減が CO2 排出量の削減効果として期待された。東日本製鉄所（京浜地区）第 2 高炉
では，2004 年 12 月より都市ガス吹込み操業を開始し，都市ガスを使用した継続的な増産を実施した結果，2008
33

年 3 月に内容積 5 000 m 以上の高炉における月間出銑比世界記録 (2.56 t/d ･ m ) を更新した。

Abstract:
To improve the productivity and reduce carbon dioxide emission in blast furnace operation, JFE Steel has
considered introducing the blast furnace operation with natural gas (NG) injection. It is expected that theproductivity in blast furnace is improved because of highly oxygen enriched operation and improvement ofpermeability. Reduction of carbon dioxide emission is also expected because of increase of hydrogenous reducing
agent. NG injection adopted at No. 2 Blast Furnace at East Japan Works (Keihin), and the new world record of3

3monthly productivity of the blast furnace (for inner volume: ⭌5 000 m ) is achieved (2.56 t/d·m ).

高炉における吹込み材としては，現在主流である微粉炭

1. はじめにのほか，一部の高炉で使用されている廃プラスチックや重油，海外の高炉で採用されている天然ガスなどがあげられ，近年の鋼材需要の高まりを受け，日本の粗鋼生産量は各製鉄所において経済性に見合った選択が行われていると2000 年以降 7 年連続で年間 1 億トン以上で推移しており，考えられる。東日本製鉄所（京浜地区）第 2 高炉（以下，2007 年には年間 1.2 億トンに達し，34 年ぶりに年間粗鋼生

京浜第 2 高炉）では，生産性向上および CO2 排出量低減を産量の記録を更新している。また，世界的にも中国の急激目的に吹込み材として都市ガスに着目してプロセス技術のな生産量の増加に牽引され，2007 年の世界粗鋼生産量は開発を行った。生産性向上効果としては，都市ガスの高分13.4 億トンと 10 年前から約 70％の増加を示している。こ解熱により高酸素富化操業が可能であること，併用する固のような状況下にあって，需要に応える生産量を確保する

体還元材の燃焼性向上および鉱石の還元性改善により通気ためには，粗鋼生産量に直結する高炉プロセスにおける効性が改善されることが期待され，CO2 排出量の低減効果と率的な増産が重要である。

しては，還元ガス中水素濃度の上昇による炭素系還元材の一方，2008 年から京都議定書の第 1 約束期間がすでに開使用量低減が期待される。

始し，地球温暖化防止を目的とした CO2 排出量削減の必要

そこでこれらを検証するため，まず理論計算により水素性が国際的なコンセンサスを得つつある中，鉄鋼業におい系吹込み材の使用による高炉操業の変化を検討し，各種水ても CO2 排出量削減が求められている。特に，製鉄所から素系吹込み材の特性を明らかにする。次いで，水素系吹込の CO2 排出量の大部分を占める高炉プロセスにおけるさらみ材が固体還元材の燃焼性に与える影響，および，還元ガなる技術開発が急務となっている。

ス中水素濃度が鉱石の還元・溶け落ち挙動に与える影響について調査するため，実験室および実炉による試験を行っ2008 年 8 月 21 日受付た。
− 55 −

東日本製鉄所（京浜地区）第 2 高炉における都市ガス吹込み操業

300
Blast oxygen(Nm3/t)

2. 水素系吹込み材使用時の高炉操業予測

1)

表 1 に，各種吹込み材（微粉炭，廃プラスチック，重油，Theoretical flame
temperature (˚C)

られる。しかしながら，高炉内での有効発熱量（CO ⫹ H2までの発熱量）で見ると，必ずしもこの関係は成立せず，分解熱が大きい天然ガスが最も低位となるのが分かる。
各種吹込み材の高炉操業への影響を検討するため，送風PC292WP

OilBase288

天然ガス）の代表的な組成，発熱量を示す。水素含有量が高くなるほど低位発熱量は高くなることが特徴としてあげNG296284
Base2 200PCWP

2 000

Oil
NG

1 800
2

条件（送風温度，送風湿分，酸素富化率），およびヒートロ
ス一定で各種吹込み材を 50 kg/t 吹込んだ場合について，

468 10 12 14 16 18Input H (kg/t)

PC: Pulverized coal WP: Waste plastics
NG: Natural gas

リストモデルをベースとした熱物質収支モデルにより計算を行った。重油および天然ガス吹込みの場合，シャフト効

図1

率一定前提での計算ではコークス置換率が両者とも 1.0 前Fig. 12)

操業諸元に及ぼす投入水素量の影響
Effect of input H on operational conditions

後となるが，実績の置換率は 1.1〜1.27 と報告されている。
え，本検討では計算値と実測値が一致するようにシャフト効率を向上させる操作を行っている。
図 1 に投入水素量と代表的な操業諸元との関係を示す。
投入水素量が多くなるほど送風酸素原単位は増加し，羽口TFT(˚C)

先理論燃焼温度（TFT：theoretical flame temperature）は低下する。ボッシュガス量を介した通気性，および，TFTを適正に維持するためには，酸素富化率を上げることが必Changes inproductivity(t/d·m3)要である。
図 2 に，各種吹込み材 50 kg/t の吹込み条件下において，TFT 上 限 を 2 400 ℃， 炉 頂 ガ ス 温 度（TGT：top gastemperature）下限を 120℃とし，いずれかの条件に達する

10864202 350
2 350
2 300
2 250
2 2000.400.300.200.100160150140TGT 130120110TFTまで酸素富化率を増加した場合の出銑比の変化を示す。限Base

界出銑比はフラッディングで決まると仮定し，ベース条件

PC: Pulverized coal WP: Waste plastics
NG: Natural gasと同じフラッディング指数3)となる出銑比を上限値とした。

その結果，天然ガスを使用した場合が最も増産可能である

図2Fig. 2PC

WP

Oil

TGT (˚C)

Oxygenenrichment(%)

この差を水素投入量増による還元促進効果によるものと考NG

各種吹込み材使用による操業の変化

Changes in operational conditions by various injectantsと推定された。これは上述したように，天然ガスは分解熱が高いために，TFT を適正に維持しつつ高酸素富化が可能であるためと考えられる。また水素含有量が高いために，CO2 排出量の削減も期待されることから，水素系吹込み材として天然ガスに着目して検討を行った。

表1
Table 13. 水素系吹込み材が固体還元材の燃焼性に4)
及ぼす影響

各種吹込み材の特徴

Properties of various injectants

PartialUltimate analysis
Calorificcombus(daf, mass%)value
Ashtion heat(daf)(mass%)CH
O (kcal/kg) (daf)(kcal/kg)

3.1

試験装置および試験方法

Decomposition
heat
(daf)
(kcal/kg)と比較して燃焼が速いことから，同時吹込みの場合には固水素系吹込み材として着目する天然ガスは，固体還元材

PC

7.42

82.4

9.8

7 244

1 489205

体還元材の燃焼性を低下させることが懸念される。そこで

WP

5.65

77.8 10.4 11.7

8 323

1 332302

燃焼実験により，天然ガス吹込みが固体還元材の燃焼性にOil0.00

85.1 11.50.3

9 801

1 681192

与える影響について調査した。

NG0.0076.6 23.4

0.0

11 781

698988図 3 に本 実 験に用いたコークス充 填 層型 小型 燃 焼 炉

NG: Natural gas（ホットモデル）の模式図を示す。所定の温度および組成に

PC: Pulverized coal

5.5

WP: Waste plastics

JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）− 56 −

東日本製鉄所（京浜地区）第 2 高炉における都市ガス吹込み操業

PCR(kg/t)

表2

ホットモデル実験条件

Table 2

Experimental conditions

AB

C

DEF

G

H

I

100

100

13013070

100130160190

WPR(kg/t)

3030303030————CH4. R(kg/t)—30—303030—30—O2 enr.

(%)

1.0

4.0

2.0

6.0

3.0

3.0

3.0

6.0

3.0

Blast Temperature(˚C)

1 200Vtuy(m/s)

150
0.88

0.94

0.70

0.66

Waste
plastics

Pulverized
coal

Coke

0.77

0.70

CH4. R: Methane rate

· Coke sampling

AirLPG

Coke
packed bed

O2

1 400 mmExhaust gas

Lance

Lance
Raceway 1 000 mm(Width: 400 mm)· Temperature measurement· Gas sampling

CH4 Gas

図3

ホットモデル実験装置

Fig. 3

Experimental apparatus

0.87

O2 enr.: Enrichment

Ex. O2: Excess O2 ratio

90

Combustion and gasification
efficiency of solid injectant (%)

Ex. O20.91
0.75
Theoretical flame temperature (TFT): Constant
PCR: Pulverized coal rate WPR: Waste plastics rate

80

PC⫹WP at CH4injection
PC⫹WP
PC at CH4injection
PC

5% up

70
60
4% up
50
0.6

0.7
0.8
0.9
Oxygen excess ratio

PC: Pulverized coal WP: Waste plastics
図4

固体還元材の燃焼性に及ぼす CH4 ガス吹込みの影響

Fig. 4Effect of methane gas injection on combustion andgasification efficiency of solid injectants

なるように調整した熱風中に，固体還元材（微粉炭，廃プ

速は 150 m/s の一定条件とし，酸素富化率を調整すること

1 900

1 700PC⫹WP at CH4 injection
PC⫹WPにより TFT を一定に制御した。試験中に羽口の反対側から1 500ゾンデを挿入し，レースウェイ内部のガス組成測定，およ0び消耗型光ファイバーによる温度測定を行った。燃焼時間は各水準とも 60 分で一定とし，試験終了後は N2 で炉体を冷却した後，炉体を解体して炉内のコークスを採取し，粉率を測定した。

3.2

図5

試験結果

100 200 300 400
Distance from tuyere nose(mm)COCO2
H2O220100PC⫹WP3020100

100 200 300 400
Distance from tuyere nose(mm)
PC: Pulverized coal
WP: Waste plastics

レースウェイ内温度およびガス組成に及ぼす CH4ガス吹込みの影響

Fig. 5図 4 に酸素過剰率と固体還元材の燃焼ガス化率との関係

Gas composition (%)

試験条件を表 2 に示す。送風温度は 1 200℃，羽口先流Temperature (˚C)

分である CH4 ガスを使用した。

40 PC⫹WP
30 at CH4 injection

2 100ラスチック），および，水素系吹込み材の同時吹込み試験を行った。水素系吹込み材として，ここでは天然ガスの主成

1.0

Effect of methane gas injection on temperature andgas composition in racewayを示す。CH4 ガスとの混焼時における固体還元材の燃焼率について，固体還元材単独燃焼時における固体還元材の燃中心軸上における温度分布測定結果およびガス組成測定結焼率とを比較した場合，固体還元材と CH4 ガスの混合燃焼果を示す。固体還元材と CH4 ガスの混合吹込みの場合には，により，同一の酸素過剰率において微粉炭の燃焼率が 4％，固体還元材単独吹込みの場合と比較して，羽口近傍の温度微粉炭と廃プラスチック混合時の燃焼率が 5％上昇した。

が上昇している。このことから，固体還元材と CH4 ガスと図 5 に CH4 ガス吹込み有無による，レースウェイ内の羽口の混焼時に燃焼速度が速い気体還元材である CH4 ガスが吹− 57 −JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）

東日本製鉄所（京浜地区）第 2 高炉における都市ガス吹込み操業

PC⫹WP⫹CH4PC⫹WP

Loadcontrol

Flue gas
Postburner Filter

3.0

2.0Sample

CycloneGas
analyzer
Heater1.0

Gas
pre-heater
00.6

0.7
0.8
0.9
Oxygen excess ratio

1.0
図7

荷重軟化試験実験装置

レースウェイ内粉率に及ぼす CH4 ガス吹込みの影響

Fig. 7

Experimental apparatus

Fig. 6

Effect of methane gas injection on coke fine ratio inraceway
Gas composition (%)

PC: Pulverized coal WP: Waste plastics
図6

込み直後に燃焼し雰囲気温度を上昇させ，微粉炭および廃プラスチックの昇温，揮発化が促進されたことによりガス化消失する重量が増加すると推定される。また CH4 ガスの燃焼により酸素は速く消失するものの，高温まで昇温されTemperature (˚C)

果により，固体還元材の燃焼ガス化率は低下しなかったものと考えられる。
図 6 にレースウェイ内における ⫺3 mm 粉率の測定結果を示す。CH4 ガスとの混合燃焼時には粉率が低下した。これは燃焼率の向上がレースウェイ内のコークス粉化量の低5)

N2CO
CO2H25040CO
CO2H23020100

た未燃チャーと CO2 とのガス化反応速度が大きくなった効減に寄与した

Gas
mixingunit

Temperature
Load

1 400
1 0000.56000.32000.10

こと，および，水素含有量が高いことに起因してレースウェイ内における H2O の生成量が増加し，ガス化反応によるコークス粉の消費を促進したことによるも0.74080120Time (min)Load (kg/cm2)

Coke fine ratio (⫺3 mm)(%)

4.0160図8

荷重軟化試験実験条件

Fig. 8Experimental conditionsのと推定される。これらのことから，水素系吹込み材の使用時には炉芯，炉下部への粉の蓄積低下により，炉下部通気性の改善が期待される。

み材の使用により水素ガス濃度が増加することを考慮して，水素濃度 0，5，10％の条件で実験を行い，水素が鉱石の還4. 鉱石の還元挙動に及ぼす水素の影響
4.16)

元挙動に及ぼす影響について調査した。

4.2

試験装置および試験方法

試験結果

水素系吹込み材を高炉で使用した場合，高炉内の還元ガ

図 9 に昇温にともなう収縮率および還元率の変化を示す。

ス中水素濃度が上昇する。その結果，鉱石の還元挙動が変水素濃度が増加するほど還元率が向上，収縮率が低下する化し，鉱石の高温性状に影響を与えると考えられる。そこ傾向が見られた。この結果から水素濃度が高い条件においで荷重軟化試験により，還元ガス中水素濃度が高炉内におては，鉱石の還元が促進されたことによって軟化が抑制さける鉱石の還元挙動に及ぼす影響について調査した。

れ ，層内の空隙が確保されるものと考えられる。

7)

図 7 に実験装置の模式図を示す。内径 50 mmφ の黒鉛る

図 10 に昇温にともなう差圧の変化を示す。水素濃度がつぼに，9〜 11 mm のコークスを 10 g 填充した後，4.75〜増加するにつれて，差圧のピークが低下する傾向が見られ6.7 mm の焼結鉱を 135 g 填充した。この黒鉛るつぼを加熱た。これは上述したように層内の空隙が確保されたこと，炉内に設置し，高炉内を模擬させた温度，ガス組成，荷重および，水素濃度の増加によりガス密度，粘性が低下した下において昇温還元試験を行った。試験中は，試料層厚のことによるものと考えられる。
したがって，実炉における都市ガス吹込みの効果として，変位量，排ガス組成，および差圧を連続的に測定した。
図 8 に試験条件を示す。炉内温度，ガス組成および荷重は，実炉操業を模擬したパターン設定をした。水素系吹込JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）

鉱石の還元・溶け落ち性が改善し，融着帯近傍における通気性が改善されることが期待される。

− 58 −

東日本製鉄所（京浜地区）第 2 高炉における都市ガス吹込み操業

Reduction degree (%)

100

Blast furnace
JFE Steel80

Naturalgas

60
4020

図 110Fig. 11Shrinkage (%)

80

市ガス供給のため，京浜地区近隣のガス供給会社より配管

40

H2: 0 vol%H2: 5 vol%H2: 10 vol%20

図91 100
1 300
Temperature (˚C)

を敷設した。また，安全対策として下記の 3 点を実施した。
（1） 都市ガス逆火防止対策として，逆止弁を設置および緊急遮断シーケンスを導入

1 500（2）ガス漏洩防止対策として，配管内窒素ガス置換機構を導入およびガス漏洩検知機を設置

収縮率および還元率に及ぼすガス組成の影響

Effect of gas composition on shrinkage and reduction
degree（3）ガス圧変動防止対策として，安全弁を設置

5.3
H2: 0 vol%6)

5 日後から 20〜50 kg/t の吹込みを継続して実施した。ま6.0

た，酸素富化率に関しては，送風量，TFT をほぼ一定に保ち増加させた（4.7 → 5.6％）。この結果，通気性に関して

H2: 5 vol%4.0

は，上部通気抵抗指数（KU）が実施前後で同程度であったのに対し，下部通気抵抗指数（KL）は改善される傾向を示2.0した。出銑量に関しては，都市ガス吹込み実施前の出銑比H2: 10 vol%
0900

3

1 100

1 300

2.34 t/d ･ m に対して，都市ガス吹込み実施後の出銑比1 500

32.52 t/d ･ m と大幅な増産を達成した。

Temperature (˚C)
図 10Fig. 10

都市ガス吹込み時の操業解析

都市ガスは吹込み開始から徐々に増加させ，吹込み開始

8.0
Pressure drop (kPa)

Flow diagram of natural gas injection plant

600900Fig. 9

都市ガス設備フロー

図 12 に，都市ガス吹込み実施前後における上部通気抵差圧に及ぼすガス組成の影響抗指数および下部通気抵抗指数をそれぞれ示す。都市ガス

Effect of gas composition on pressure drop

吹込み前後で，上部通気抵抗指数は同程度であるのに対し，5. 実炉における都市ガス吹込み操業
0.30
Furnace top

事前検討の結果より，実炉における都市ガス吹込みの期

0.25

S7S6KU

期待効果

待効果として，下記の 3 点があげられる。

S5（1） 都市ガスの高分解熱に起因する羽口先温度の低下が，S4酸素富化率増加を可能にする。
（2） 都市ガスと併用する固体還元材の燃焼性が向上し，炉0.200.15

S30.10S2下部通気性が改善する。
（3） 還元ガス中水素濃度の増加にともない還元速度が向上し，炉下部通気性が改善する。

S1Tuyere

これらの効果を実証するため，2004 年 12 月より京浜第 2

1.20
KL

5.11.10

高炉において都市ガス吹込み操業を実施した。

5.21.00

都市ガス吹込み設備の導入

Natural gas off Natural gas on(20–50 kg/t)

図 11 に，2004 年 12 月に稼働開始した京浜第 2 高炉にお図 12

炉内通気性に及ぼす都市ガス吹込みの影響ける都市ガス吹込み設備の概略フローを示す。高炉への都

Fig. 12

Effect of natural gas injection on permeability− 59 −

JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）

東日本製鉄所（京浜地区）第 2 高炉における都市ガス吹込み操業（1） 事前検討
2.8
Mar. 2004
Blow-in

Dec. 2004
Natural gas
operation

都市ガス吹込みにより，高分解熱に起因する羽口先May 2006
High productivity
operation

温度の低下による同一羽口先温度下での酸素富化の増

2.6

加，都市ガスと併用する固体還元材の燃焼性向上，おProductivity (t/d·m3)

よび還元ガス中の水素濃度上昇に起因する鉱石の還元
2.4

性・溶け落ち性の改善による下部通気性の改善が可能となり，増産が期待される。また，水素含有量が高い

2.2

ために，CO2 排出量削減も期待される。
（2） 操業実績

2.0

京浜第 2 高炉では，2004 年 12 月に都市ガス吹込みを導入し，酸素富化率の増加（4.7 → 5.6％），および，炉下部通気性の改善（下部通気抵抗指数 1.22 → 1.11）

Apr. 2007

Apr. 2006

Apr. 2005

Apr. 20041.8

3により増産（2.34 → 2.52 t/d ･ m ）を達成した。さらに都市ガスを使用した継続的な増産を実施した結果，
3

図 13 東日本製鉄所（京浜地区）第 2 高炉の操業推移
Fig. 132008 年 3 月には，月間暦日出銑比新記録（2.56 t/d ･ m ）Operation trends of No. 2 Blast Furnace at East Japan
Works (Keihin)3を達成し，この記録は内容積 5 000 m 以上の大型高炉における世界記録である。

下部通気抵抗指数は 1.22 から 1.11 に低下した。これは，事前検討において確認された，固体還元材の燃焼性改善による炉下部の粉発生量の低減，および，還元ガス中水素濃度の上昇による鉱石の還元性・溶け落ち性の改善に起因すると推察される。

5.4

都市ガス吹込みによる高出銑比操業

図 13 に京浜第 2 高炉の生産実績の推移を示す。2006 年
5 月より都市ガスを使用した継続的な増産を実施している。
そ の 中 で 2006 年 8 月 に は 月 間 暦 日 出 銑 比 新 記 録
38）（2.45 t/d ･ m ）を達成し ，現在もその記録を更新中である。2008 年 3 月 に 達 成 し た 月 間 暦 日 出 銑 比 記 録
33（2.56 t/d ･ m ）は，内容積 5 000 m 以上の大型高炉におけ

参考文献
1） 佐 藤 健，柏原 佑 介，佐 藤 道 貴，有山達 郎，武田幹 治．CAMP-ISIJ．
2005，vol. 18，p. 984．
2） たとえば，Oscar Lingiardi et. al. Proc. Ironmaking Conf. 1999, p. 135.
3） 有山達 郎，佐 藤道貴，佐 藤 健，渡 壁史 朗，村井 亮太．CAMP-ISIJ．
2004，vol. 17，p. 610．
4） 柏原佑 介，佐 藤 健，佐 藤道 貴，有山達 郎，武田幹 治．CAMP-ISIJ．
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CAMP-ISIJ．2006，vol. 19，p. 136．
7） 羽田野道春，宮崎富夫，下田輝久，岩永祐治，桐野輝雄．鉄と鋼．
1980，vol. 66，s699．
8） 山本耕司，長谷川伸二，石井邦彦，桑原稔，築地秀明，西村博文．
CAMP-ISIJ．2007，vol. 20，p. 101．

る世界記録である。

6. おわりに
京浜第 2 高炉における都市ガス吹込み操業に関して，リストモデルをベースとした熱物質収支モデルによる理論計
算，ホットモデルによる固体還元材の燃焼性評価，荷重軟化試験による鉱石の還元挙動調査，および実炉における操業実績から，下記の知見を得た。

JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）

山本 耕司− 60 −

柏原 佑介

築地 秀明