JP5565150B2 - 高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は羽口から補助還元材を吹き込む高炉操業に関する。

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。これを受け、最近の高炉操業では低還元材比操業においてＣＯ₂排出量を削減する方法が強力に推進されている。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、低還元材比、ひいては炭酸ガス排出抑制を達成するためにはコークス等を廃プラスチック、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）、重油等の水素含有率の高い還元材で置換する方策が有効である。炭素の代わりに水素を還元材として利用することにより、発生するＣＯ₂を大幅に削減することが可能と考えられている。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、特許文献２参照。）。

また、水素ガスを補助還元材として利用する方法も知られている（例えば、特許文献３参照。）

特開平０３−２４０９０６号公報 特開２００６−２４１５８６号公報 特開２００８−０８２５１６号公報

日本芳香族工業会 「アロマティックス」第２９巻第６号、１９７７年、ｐ．７〜１２ 尚、非特許文献１は下記の「発明を実施するための形態」で参照する。

上記のように、水素含有率の高い還元材を高炉の羽口から補助還元材として吹き込むことで、コークス、微粉炭等の炭素系還元材を削減し、排出ＣＯ₂を抑制することが可能となるが、例えばＬＮＧの主成分はメタン（ＣＨ₄）であり、ＣＨ₄由来の炭素も還元材として利用されることから、大幅な炭酸ガス削減量は期待できない。これに対して、水素ガス単体を補助還元材として用いれば、炭酸ガス削減量を大幅に増やすことができることになる。

しかし、水素は輸送が困難であるという問題がある。気体還元材として用いるものであっても、気体の状態での輸送は体積が大きく効率的でないため、ＬＮＧのように液体の状態で輸送することが望ましいが、このためには低温の貯蔵タンクが必要となる。ＬＮＧの場合、主成分のＣＨ₄の沸点が−１６２℃であるのに対し、水素の沸点は−２５３℃であるため、水素の輸送には極低温の貯蔵タンクが必要となり、このようなタンクを用いてトラック等で輸送を行なうことは非常にコスト高であり現実的でない。したがって、水素ガスの利用は、製鉄所内に水素ガスの発生設備があるような、限られた場合にのみ有効な手段であり、炭素を含まない補助還元材を高炉の羽口から大量に吹き込み、排出ＣＯ₂を抑制することは現状では困難である。

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、補助還元材の少なくとも一部として炭素を含有しない還元材を羽口から吹き込む高炉操業であって、補助還元材の輸送や吹き込みのためのコストを大幅に増加させること無く、従来以上に炭酸ガスの削減効果の大きい、高炉操業方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明では極低温で液化させる必要がないため輸送が容易であり、炭素を含有しないアンモニア（ＮＨ₃）を補助還元材として用いることに想到し、本発明を完成した。アンモニアは沸点が−３３℃であるため水素に比較して液化がはるかに容易であり、ＬＮＧに比較しても液化が容易である。液化したアンモニアは、輸送が容易であり、貯蔵の際の設備も低コストで建設することができる。またＨ₂に比較して、単位体積あたりの水素含有率が高いという特徴もある。アンモニアガス１モル当たり水素ガスの１．５倍の水素を含有する。

本発明はこのような知見に基づきなされたもので、その特徴は以下の通りである。
（１）鉄含有原料とコークスとを高炉の炉頂から装入し、羽口から空気または酸素富化空気を送風する高炉操業において、
補助還元材として、アンモニアを前記羽口から吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。
（２）前記酸素富化空気の酸素富化率を３０体積％以下として、前記アンモニアの吹き込み量を１３０ｋｇ／ｔ−ｐ以下とすることを特徴とする（１）に記載の高炉操業方法。
（３）前記アンモニアはコークス炉ガス中のアンモニアであることを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉操業方法。

本発明によれば、炭素を含有しない還元材を用いて羽口からの補助還元材吹き込みを行なうことで、高炉のコークス比を低減すると共に、排出ＣＯ₂量を大幅に削減することが可能となる。

本発明の一実施形態を示す、高炉の概略図。

本発明では上記のように、補助還元材としてアンモニア（ＮＨ₃）を高炉の羽口から吹き込むものである。高炉の羽口からは空気または酸素富化空気が送風されるが、通常は補助還元材として微粉炭等の固体還元材が同時に吹き込まれる。本発明では固体還元材に追加して、または固体還元材の少なくとも一部と代替して、高炉の羽口から、ランス等を用いてアンモニアの吹き込みを行なう。固体還元材とアンモニアとは、同一の羽口に複数本のランスを装着して吹き込んでも良く、羽口ごとに吹きこみ還元材の種類を変えても構わない。さらに、重油等の液体還元材を同時に吹き込むことも可能である。

本発明の一実施形態を図１を用いて説明する。

高炉１では、羽口２から送風３と、補助還元材として微粉炭４の吹き込みを行なっている。羽口から高炉内にアンモニア５の吹き込みを行なうが、このためには、貯蔵タンク６に貯蔵された液体アンモニアを気化して、高炉内に吹込み可能な圧力まで昇圧機７で昇圧後、羽口２に接続したブローパイプを貫通させて設置したランスを用いて炉内に吹き込む。吹き込まれたアンモニアは炉内の高温で分解されてＨ₂が生成し、還元材として作用する。

アンモニアを高炉内に吹き込んだ場合、炉内ガス組成（ボッシュ部でのガス組成で、計算値を用いる。）は通常の操業に比較して、水素濃度が高くなる。分解により生成したＨ₂は高炉内で発生するＣＯ、ＣＯ₂やＮ₂に比較してガス密度が低く、通常の微粉炭吹込み高炉操業に比較して高炉内での通気性を良好とする。

アンモニアの吹き込み量は、ＣＯ₂の発生量を少なくできるので多いほど好ましいが、吹込み量が多くなるほど、羽口先理論燃焼温度を維持するために酸素富化率を高くする必要が生じる。そのため、通常の送風機の酸素濃度管理値から３０体積％程度の酸素富化率が安全上上限となり、アンモニアの吹き込み量は１３０ｋｇ／ｔ−ｐ（溶銑）程度が現実的な上限となる。尚、酸素富化率とは、「（熱風中酸素量＋酸素供給量）／（送風量）×１００−熱風中酸素濃度（％）」で定義され、送風量は「熱風量（空気）＋酸素供給量」である。例えば、熱風量が１０００Ｎｍ³／ｔ−ｐ、酸素供給量が５０Ｎｍ³／ｔ−ｐであれば、（１０００×０．２１＋５０）／（１０００＋５０）×１００−２１＝３．７６％となる。ｋｇ／ｔ−ｐ（溶銑）とは、溶銑１ｔ製造当たりに吹き込まれるアンモニアの質量を示している。

アンモニアとして、コークス炉でコークス製造の際に発生するコークス炉ガス（ＣＯＧ）に含まれるアンモニアを回収して用いることが好ましい。通常、コークス炉から発生するガス中には６〜１０ｇ／Ｎｍ³のアンモニアが含有されており、希硫酸で洗浄し、硫安として回収されて、硫安肥料として販売されている。しかしながら、硫安肥料の需要が減少した場合、他に適当な用途も無いため、硫安の市場価値が大幅に低落し、採算性が著しく悪くなる恐れがある。また、アンモニアを燃焼し、単純に熱として回収することも可能であるが、燃焼過程でフーエルＮＯ_X、サーマルＮＯ_Xが発生しやすく、ＮＯ_X発生を抑制する燃焼制御が必要である。したがって、コークス炉ガスに含まれるアンモニアを高炉羽口から吹き込む補助還元材として用いることで、製鉄所内で発生する副生成物を安定的に、ＮＯ_X発生の問題もなく、有効に利用することが可能となる。ＣＯＧからのアンモニアの回収方法としては、例えばカールスチル法を用いることができる（例えば、非特許文献１参照。）。ＣＯＧ中のアンモニアを水またはアンモニア水で吸収し、次に、アンモニア水を蒸留してアンモニア蒸気とする方法である。

または、使用済みプラスチック等の廃棄物を原料として製造したリサイクル品のアンモニアを用いることが好ましい。

アンモニアはそれ自体がＣ成分を含まない点で高炉操業におけるＣＯ₂排出量削減に効果があるが、原料を含めてカーボンフリーのクリーンなアンモニアを用いることがさらに好ましい。すなわち、アンモニアを製造する段階でも、カーボンに由来しない原料を用い、ＣＯ₂を発生させていないものを用いることで、完全に地球全体としてのＣＯ_２排出量削減に貢献できることになる。

図１に示すものと同様の、炉内容積約５０００ｍ³の高炉において、条件１〜５の操業試験を実施した。アンモニア以外の補助還元材としては微粉炭を１３０ｋｇ／ｔ−ｐ（溶銑）とし、羽口先理論燃焼温度が２２４９℃になるように酸素富化率を調整した。表１に各操業条件と結果を示す。条件１は比較例であり、アンモニア（ＮＨ₃）吹込みを行なわない従来の操業の場合である。アンモニア吹込み量は条件２で２５ｋｇ／ｔ−ｐ（溶銑）、条件３は５０ｋｇ／ｔ−ｐ（溶銑）、条件４は１００ｋｇ／ｔ−ｐ（溶銑）、条件５で１３０ｋｇ／ｔ−ｐ（溶銑）である。送風圧力は３．４×１０⁵Ｐａとし、アンモニアを吹き込む際の吹込み圧力は３．９×１０⁵Ｐａとした。

アンモニアを吹き込むことで、還元材比（ＲＡＲ）は上昇するが、Ｃ投入量は減少する。これに伴い、条件２ではＣＯ₂発生削減量は１６ｋｇ−ＣＯ₂／ｔ−ｐ（溶銑）、条件３では３２ｋｇ−ＣＯ₂／ｔ−ｐ（溶銑）、条件４では６３ｋｇ−ＣＯ₂／ｔ−ｐ（溶銑）、条件５では８２ｋｇ−ＣＯ₂／ｔ−ｐ（溶銑）となり、ＣＯ₂発生量を大幅に削減することができた。

また、炉内ボッシュ部での各種ガスの合計のガス密度（ボッシュガス密度）は、条件１（比較例）で１．１７ｋｇ／Ｎｍ³、条件２で１．１３ｋｇ／Ｎｍ³、条件３で１．０９ｋｇ／Ｎｍ³、条件４で１．００ｋｇ／Ｎｍ³、条件５で０．９４ｋｇ／Ｎｍ³となり、ガス密度の低下から炉内通気性が改善されたものと考えられる。

１ 高炉
２ 羽口
３ 送風
４ 補助還元材
５ アンモニア
６ 貯蔵タンク
７ 昇圧機
８ 高炉ガス

Claims (2)

1. 鉄含有原料とコークスとを高炉の炉頂から装入し、羽口から空気または酸素富化空気を送風する高炉操業において、
   補助還元材として、液体アンモニアを気化させた、カーボンフリーの気化アンモニアを前記羽口から吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。
2. 前記酸素富化空気の酸素富化率を３０体積％以下として、前記気化アンモニアの吹き込み量を１３０ｋｇ／ｔ−ｐ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。

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