JP7472864B2 - 気体還元材の吹込み方法および高炉用羽口 - Google Patents

Description

本発明は、気体還元材を高炉に吹き込むために用いられる、気体還元材の吹込み方法および高炉用羽口に関する。

近年、地球環境問題や化石燃料枯渇問題への対応として、ＣＯ_２発生量の削減や省エネルギー化が強く求められていることを受けて、製鉄所における高炉操業では、低還元材比（低ＲＡＲ）操業が強力に推進されている。

一般的な高炉では、羽口から微粉炭および１２００℃程度の熱風を吹き込み、コークスおよび微粉炭と熱風中の酸素とを反応させ、この結果生成するＣＯ、Ｈ_２等の還元ガスによって高炉内の鉄鉱石等を還元している。以前は、コークスのみ、もしくはコークスおよび羽口から吹き込んだ重油を還元材とする操業が主流であったが、現在では、還元材の一部がコークスから微粉炭へと置き換えられ、１００μｍ以下のサイズまで微粉砕した微粉炭を羽口から吹き込む微粉炭吹込み技術が確立されている。

さらに近年では、廃プラスチックなどの還元材を高炉に吹き込む技術も確立されている。これら羽口吹込み技術の発達により、製銑工程におけるエネルギー消費量は大幅に削減されている。

特許文献１には、高炉排ガスを有効に利用することにより、高炉から排出されるＣＯ_２ガスを削減する技術が開示されている。この技術では、高炉排ガス中のＣＯやＣＯ_２から再生メタンを合成し、それを還元材として再度羽口から吹き込むことにより、炭素を高炉プロセス内で循環させ、高炉から排出されるＣＯ_２原単位を削減している。

羽口から吹き込まれる還元材は、これとともに吹き込まれる酸素含有ガスと燃焼反応を起こす。そして、還元材と反応せずに残った酸素、還元材との燃焼反応で生じた二酸化炭素（ＣＯ_２）および水蒸気（Ｈ_２Ｏ）は、羽口前方にあるコークス充填層のコークスと反応し、最終的に、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）から構成される高温の還元性ガス（以下、ボッシュガスと記載する）となる。

ここで、羽口から吹き込まれる還元材の燃焼率が高いほど、コークスの消費量は少なくなる。よって、製銑工程の省エネルギー化においては、羽口から吹き込まれる還元材の燃焼率を向上することが、極めて重要になる。

また、羽口先で生成されるボッシュガスは、鉄鉱石を還元する機能を担うガスであると同時に、羽口前のコークスを押し出して、羽口前方にレースウェイと呼ばれる燃焼空間を形成する役割を果たす。レースウェイは、羽口から吹き込まれた微粉炭等の還元材を十分燃焼させるための空間として重要であり、仮にレースウェイが形成できない場合には、羽口から吹き込まれた還元材の燃焼率は著しく低下することになる。したがって、高炉および製銑工程における省エネルギー化を達成するには、羽口前方にレースウェイを形成させ、このレースウェイに還元材を安定して供給することが重要である。

レースウェイの形成について、非特許文献１には、レースウェイの大きさは、羽口の口径、羽口先端の吐出ガス流速等から推算できることが開示されている。

レースウェイへの還元材の供給については、従来の高炉では、ブローパイプを用いて高炉内に酸素を含む高温ガスを送風するブローパイプ内にランスを挿入し、このランスから還元材を吹き込んでいる。また、非特許文献２には、微粉炭等の固体還元材および酸素を含む支燃性ガスを羽口内で予混合することにより、レースウェイ内での微粉炭のガス化率を向上させる技術が開示されている。

特開２０１１－２２５９６９号公報

大野陽太郎、古川武、松浦正博、「高炉レースウェイ空間における微粉炭の燃焼挙動と多量吹込み技術」、鉄と鋼、１９９２年１月、第７８巻、第１号、ｐ．５０～５７ 古川武、松浦正博、大野陽太郎、岸本純幸、「高炉への微粉炭吹込みにおける吹込部の構造と燃焼特性」、鉄と鋼、１９９６年１２月、第８２巻、第１２号、ｐ．９９３～９９８ 鵜飼直道、「羽口の変遷」、金属、１９７８年３月、第４８巻、第３号、ｐ．３９～４３ 安全工学会編、「安全工学便覧」、第４版、コロナ社、２０１９年７月ｐ．２４１

しかし、非特許文献２に開示される羽口では、還元材として、Ｂガスや水素等の還元性ガスや天然ガスや再生メタン等の可燃ガスを加えると、羽口前方のレースウェイ空間内で生じる燃焼火炎が羽口内に戻ってくる、いわゆる羽口内燃焼が発生することがある。この羽口内燃焼は、水冷されていないバーナーの先端を溶損したり熱変形を起こしたりする問題を生じる。羽口に加えてバーナー先端も水冷することにより、バーナーの溶損や熱変形を防ぐことができるが、熱損失が増加したり、バーナーと羽口との接続部分でガス漏れのリスクが高くなったりする問題が生じることになる。

また、非特許文献３には、還元材として重油を高炉に吹き込むための羽口が開示されており、ブローパイプとの接続部近傍に、重油を吹き込むための還元材吹込みノズルが備えられている。そこで、非特許文献２に開示される羽口内テーパー部に、非特許文献３の還元材吹込みノズルを適用して、Ｂガスや水素等の還元性ガスや天然ガスや再生メタン等の可燃ガスを加えることも考えられる。しかし、羽口前方のレースウェイ空間内で生じる燃焼火炎が羽口内に戻ってくると、羽口内テーパー部で燃焼が継続して熱負荷が大きくなったり、還元材吹込みノズルが破損したりするという問題が生じる。

そこで、発明者らは、従来技術における上述の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明に係る気体還元材の吹込み方法および高炉用羽口を開発するに至った。

すなわち、本発明は、高炉用羽口において、ブローパイプとの接続部近傍での燃焼反応を防ぎ、かつ、羽口前方のレースウェイ空間内で生じる燃焼火炎が羽口内に戻ることのない、気体還元材の吹込み方法および高炉用羽口を提供することを目的とする。

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。

［１］ 高炉用羽口を用いて高炉内に気体還元材を吹き込む気体還元材の吹込み方法であって、前記高炉用羽口は主流通孔と、前記主流通孔の径方向外側に設けられる副流通孔とを有し、前記主流通孔を流れる酸素含有ガスを、該主流通孔の羽口先端部で流速を高め、前記副流通孔を流れる気体還元材を、前記主流通孔の前記羽口先端部で前記酸素含有ガスに合流させて混合ガスとし、前記高炉内に吹き込む、気体還元材の吹込み方法。

［２］ 前記羽口先端部からの前記混合ガスの吐出ガス流速を、前記混合ガスの燃焼速度の５５倍以上にする、［１］に記載の気体還元材の吹込み方法。

［３］ 前記酸素含有ガスは、酸素を５０体積％以上含む、［１］または［２］に記載の気体還元材の吹込み方法。

［４］ 前記気体還元材は、Ｂガス、Ｃガス、アンモニア、一酸化炭素、水素、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、プロピレン、プロピン、ブタン、ブテン、ブチン、メタノール、エタノールおよびジメチルエーテルの少なくとも一つを含む、［１］～［３］のいずれかに記載の気体還元材の吹込み方法。

［５］ 高炉内に気体還元材を吹き込む高炉用羽口であって、主流通孔と、前記主流通孔の周囲に設けられる副流通孔とを有し、前記主流通孔の羽口先端部の内径は、該羽口先端部以外の部分および前記主流通孔にガスを供給するブローパイプの内径以下に形成され、前記副流通孔の羽口先端側の端部は、前記主流通孔の前記羽口先端部に合流するように形成されている、高炉用羽口。

本発明に係る気体還元材の吹込み方法および高炉用羽口では、気体還元材が主流通孔の羽口先端部で酸素含有ガスに合流し、酸素含有ガスとともに羽口先端部から高炉内に吐出される。よって、高炉用羽口のブローパイプとの接続部近傍で燃焼反応が発生せず、酸素含有ガスおよび気体還元材が羽口先端部から炉内に吐出された後に燃焼する。

また、主流通孔の前記羽口先端部から吐出される混合ガスの流速が大きくなるので、羽口前方のレースウェイ空間内で生じる燃焼火炎が羽口内に戻ることを抑制できる。具体的には、主流通孔の羽口先端部で酸素含有ガス流速を高めることで、主流通孔の羽口先端部からの吐出ガス流速が燃焼速度よりも十分に大きくなるようにして、羽口前方のレースウェイ空間内で生じる燃焼火炎が羽口内に戻ることを確実に防止できる。

そして、羽口内での燃焼反応が起きることがないため、ブローパイプ先端の溶損や熱変形を防止するための水冷を行う必要がなくなり、熱損失が少なくなる効果も得られる。

図１は、本発明の高炉用羽口の断面の一例を示す模式図である。 図２（ａ）～図２（ｃ）は、発明例および比較例の高炉用羽口の断面を示す模式図である。 比較例の高炉用羽口における温度変化の例を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の気体還元材の吹込み方法および高炉用羽口の実施形態について、具体的に説明する。

図１に、本実施形態の高炉用羽口１０の断面を、模式的に示す。

本実施形態の高炉用羽口１０は、高炉内に気体還元材を吹き込むものであって、主流通孔１２と、主流通孔１２の径方向外側に設けられる副流通孔１４とを有している。主流通孔１２は、酸素含有ガスを高炉内に吹き込む流通孔である。また、副流通孔１４は、主流通孔１２とは異なる流通孔であって、気体還元材を高炉内に吹き込む流通孔である。

主流通孔１２の酸素含有ガス吐出側には、内径Ｄ_Ｔおよび長さＬを有する羽口先端部１３が設けられている。羽口先端部１３の内径Ｄ_Ｔは、主流通孔１２の羽口先端部１３以外の部分および主流通孔１２にガスを供給するブローパイプ３０の内径Ｄ_Ｂと同一か、それよりも小さく形成されている。羽口先端部１３の長さＬは、内径Ｄ_Ｔよりも大きく設定されている。そして、副流通孔１４の羽口先端側１３の端部は、主流通孔１２の羽口先端部１３に合流するように形成されている。

また、本実施形態の気体還元材の吹込み方法は、高炉用羽口１０を用いて高炉内に気体還元材を吹き込むものである。具体的には、ブローパイプ３０から主流通孔１２に供給される酸素含有ガスの流速を、主流通孔１２の羽口先端部１３で高めて高炉内に吹き込むとともに、気体還元材を副流通孔１４から主流通孔１２の羽口先端部１３を流れる酸素含有ガスに合流させて高炉内に吹き込む。

本実施形態では、上述のとおり、主流通孔１２の羽口先端部１３の内径Ｄ_Ｔが、主流通孔１２の羽口先端部１３以外の部分および主流通孔１２にガスを供給するブローパイプ３０の内径Ｄ_Ｂと同一か、それよりも小さく形成されていることにより、ブローパイプ３０から主流通孔１２に供給される酸素含有ガスの流速を、主流通孔１２の羽口先端部１３で高めるようにしている。また、副流通孔１４の羽口先端側１３の端部が、主流通孔１２の羽口先端部１３に合流するように形成されていることにより、副流通孔１４から吹き込まれる気体還元材を、主流通孔１２の羽口先端部１３を流れる酸素含有ガスに合流させるようにしている。

主流通孔１２から吹込まれる酸素含有ガスと、高炉用羽口１０の前方の高炉内のコークス充填層のコークスおよび副流通孔１４から吹込まれる気体還元材との間の燃焼・ガス化反応によりボッシュガスが生成され、このボッシュガスにより高炉用羽口１０の前方にレースウェイ２０が形成される。

ここで、副流通孔１４から吹込まれる気体還元材が、主流通孔１２から吹込まれる酸素含有ガスと燃焼反応を起こして燃焼する量が多くなるほど、高炉内のコークス充填層のコークスの使用量を削減できる。よって、高炉用羽口１０から還元材を吹き込むにあたっては、高炉用羽口１０の前方に十分な大きさのレースウェイ２０を形成して、還元材を十分に燃焼・ガス化させることが重要である。

一方、主流通孔１２から吹き込む酸素含有ガスとして、酸素を５０体積％以上含む気体を用いることが好ましい。酸素を５０体積％以上含み気体を酸素含有ガスとして吹き込むことにより、気体還元材の吹込み量を大きくしても気体還元材の燃焼が促進され、高炉操業におけるコークス使用量をさらに削減でき、高炉から排出されるＣＯ_２を大幅に削減できる。

このように、酸素濃度の高い酸素含有ガスを用いる場合には、酸素含有ガス中の窒素量が少なくなるため、酸素含有ガスの吹込み量が減少する。このような送風条件で、十分な大きさのレースウェイ２０を形成するために、主流通孔１２の羽口先端部１３の内径Ｄ_Ｔを、ブローパイプ３０の内径Ｄ_Ｂと同一か、それよりも小さくして、羽口先端部１３での酸素含有ガスの流速を高める。そして、副流通孔１４から供給される気体還元材を羽口先端部１３で酸素含有ガスに合流させる。

このようにすることで、酸素含有ガスと気体還元材との予混合気が、高炉用羽口１０のブローパイプ３０との接続部近傍に存在することが無く、羽口内テーパー部近傍での燃焼反応を防ぐことができる。そして、羽口先端部１３で合流した酸素含有ガスと気体還元材との予混合気は、羽口先端部１３から高い流速で高炉内に吐出されるため、羽口先端部１３から高炉内に吐出された後に燃焼する。

なお、内径Ｄ_Ｔが縮小される羽口先端部１３の長さは、内径Ｄ_Ｔよりも大きくすると、羽口先端部１３において酸素含有ガスの流速を確実に高めることができるので好ましい。また、主流通孔１２は、ブローパイプ３０との接続部から羽口先端部１３に近づくにつれて内径が徐々に小さくなるように形成されていると、同様に羽口先端部１３において酸素含有ガスの流速を確実に高めることができるので好ましい。

主流通孔１２の羽口先端部１４からの吐出ガス流速は、羽口先端部１３で合流する酸素含有ガスと気体還元材との混合ガスの燃焼速度の５５倍以上にすることが好ましい。ここで、酸素含有ガスと気体還元材との混合ガスの燃焼速度としては、例えば非特許文献４に開示されている数値を用いることができる。このようにすると、高炉用羽口１２の前方のレースウェイ２０内で生じる燃焼火炎が高炉用羽口１２内に戻ることを確実に防止できる。

また、副流通孔１４から吹き込む気体還元材として、例えばＢガス（高炉ガス）、Ｃガス（コークス炉ガス）、アンモニア、一酸化炭素、水素、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、プロピレン、プロピン、ブタン、ブテン、ブチン、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルおよび天然ガスを用いることができる。このうち、特にＢガス（高炉ガス）、Ｃガス（コークス炉ガス）、一酸化炭素、水素、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、プロピレン、プロピン、ブタン、ブテン、ブチン、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルおよび天然ガスの少なくとも一つを含むガスを用いることが好ましい。これらのガスは、鉄鋼製造過程で副生されるガス、または、副生されるガスから製造されるガスであるので、炭素を鉄鋼製造プロセス内で循環させ、これにより、鉄鋼製造プロセスにより排出されるＣＯ_２量を削減できる。

なお、上記実施形態では、主流通孔１２の径方向外側に設けられる副流通孔１４が１本である場合について説明したが、主流通孔１２の径方向外側に設けられる副流通孔１４を複数本にしても良い。この場合には、複数の副流通孔１４から主流通孔１２に合流する気体還元材ガスの運動量のうち、主流通孔１２の径方向の成分が互いに打ち消し合って、気体還元材ガスの運動量が主流通孔１２の長さ方向の成分のみとなるように、複数の副流通孔１４を配置することが好ましい。

本発明および比較例の高炉用羽口の熱間縮尺模型を、コークス充填層炉に設置して、燃焼試験を行い、本発明の効果を検証したので、以下に説明する。

本燃焼試験では、酸素含有ガスとして室温の酸素を流量３０．３～５８．８Ｎｍ^３／ｈで、気体還元材として室温の都市ガス（メタン）を流量２３．７～４６．１Ｎｍ^３／ｈで、高炉用羽口の熱間縮尺模型からコークス充填層炉内に吹き込む条件で、燃焼実験を行った。上記流量の大きさは、高炉用羽口の熱間縮尺模型における羽口内燃焼の発生条件が、高炉用羽口実機と相似になるように設定している。

本発明例として、図２（ａ）に示すとおり、主流通孔１２の径方向外側に１本の副流通孔１４が設けられている高炉用羽口の熱間縮尺模型１０Ａ（発明例１、発明例２および発明例４）を用意した。また、図２（ｂ）に示すとおり、主流通孔１２の径方向外側に２本の副流通孔１４が、主流通孔１２に対して軸対称となる位置に設けられている高炉用羽口の熱間縮尺模型１０Ｂ（発明例３）を用意した。発明例１～発明例４の高炉用羽口の熱間縮尺模型１０Ａ、１０Ｂでは、主流通孔１２の羽口先端部１３に開口する副流通孔１４の中心線が、主流通孔１２の中心線と交差するようにした。

さらに、比較例として、図２（ｃ）に示すとおり、主流通孔１２の径方向外側には副流通孔１４が設けられず、主流通孔１２の羽口先端部１３とは反対側のテーパー部に、非特許文献２に開示されている多孔バーナー４０を組み合わせてなる、高炉用羽口の熱間縮尺模型１９を用意した。そして、多孔バーナー４０の径方向外側の流通孔４１から酸素を、径方向内側の流通孔４２から都市ガスを、発明例１～発明例４と同じ流量で吹き込んだ。

そして、発明例１～発明例４、比較例の各々について、高炉用羽口の熱間縮尺模型のブローパイプ３０または多孔バーナー４０との接続部近傍に熱電対を設け、高炉用羽口内の温度を計測するとともに、高炉用羽口の熱間縮尺模型１０Ａ、１０Ｂ、１９の冷却水の温度上昇を比較した。この燃焼試験の結果を、表１に示す。

表１に示すとおり、発明例１～発明例４では、高炉用羽口の熱間縮尺模型１０Ａ、１０Ｂのブローパイプ３０との接続部近傍（羽口内テーパー部）の温度に特段の変化は見られず、羽口内燃焼が発生しないことが確認された。そして、レースウェイ２０内で、都市ガス（気体還元材）と酸素との燃焼反応が安定的に継続した。

さらに、発明例１～４のうち、羽口先端部１３からの混合ガスの吐出ガス流速が大きく、混合ガスの燃焼速度の５５倍以上となっている発明例２～４では、発明例１よりも、高炉用羽口の熱間縮尺模型１０Ａ、１０Ｂ、１９の冷却水の温度上昇が抑えられた。これより、発明例２～４のように、羽口先端部からの混合ガスの吐出ガス流速を、混合ガスの燃焼速度の５５倍以上とすることで、混合ガスの燃焼開始位置（火炎面の位置）が羽口先端部１３から遠ざかり、高炉用羽口の熱負荷（熱損失）が軽減して、熱的に有利であることが確認された。

これに対し、比較例では、図３に示すとおり、高炉用羽口の熱間縮尺模型１９のブローパイプ３０との接続部近傍（羽口内テーパー部）の温度が上昇し、羽口内燃焼が発生した。

１０ 高炉用羽口
１０Ａ、１０Ｂ、１９ 高炉用羽口の熱間縮尺模型
１２ 主流通孔
１３ 羽口先端部
１４ 副流通孔
２０ レースウェイ
３０ ブローパイプ
４０ 多孔バーナー
４１ 多孔バーナー
４２ 多孔バーナー
Ｄ_Ｔ 羽口先端部の内径
Ｌ 羽口先端部の長さ
Ｄ_Ｂ ブローパイプの内径

Claims (5)

1. 高炉用羽口を用いて高炉内に気体還元材を吹き込む気体還元材の吹込み方法であって、
   前記高炉用羽口は主流通孔と、前記主流通孔の径方向外側に設けられる副流通孔とを有し、
   前記主流通孔を流れる酸素含有ガスを、該主流通孔にガスを供給するブローパイプとの接続部から羽口先端部に近づくにつれて内径が徐々に小さくなるように形成された羽口内テーパー部を通過させ、さらに前記羽口内テーパー部および前記ブローパイプの内径よりも小さい内径を有する小径部が、該小径部の内径よりも大きい長さ連続するように形成された前記羽口先端部を通過させることにより、前記羽口先端部で前記酸素含有ガスの流速を高め、前記副流通孔を流れる気体還元材を、前記主流通孔の前記羽口先端部で前記酸素含有ガスに合流させて混合ガスとし、前記高炉内に吹き込む、気体還元材の吹込み方法。
2. 前記羽口先端部からの前記混合ガスの吐出ガス流速を、前記混合ガスの燃焼速度の５５倍以上にする、請求項１に記載の気体還元材の吹込み方法。
3. 前記酸素含有ガスは、酸素を５０体積％以上含む、請求項１または請求項２に記載の気体還元材の吹込み方法。
4. 前記気体還元材は、Ｂガス、Ｃガス、アンモニア、一酸化炭素、水素、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、プロピレン、プロピン、ブタン、ブテン、ブチン、メタノール、エタノールおよびジメチルエーテルの少なくとも一つを含む、請求項１～請求項３のいずれかに記載の気体還元材の吹込み方法。
5. 高炉内に気体還元材を吹き込む高炉用羽口であって、
   主流通孔と、前記主流通孔の周囲に設けられる副流通孔とを有し、
   前記主流通孔のうち羽口先端部以外の部分には、前記主流通孔にガスを供給するブローパイプとの接続部から前記羽口先端部に近づくにつれて内径が徐々に小さくなるように形成された羽口内テーパー部が設けられ、
   前記主流通孔の羽口先端部は、前記羽口内テーパー部および前記主流通孔にガスを供給するブローパイプよりも小さい内径を有する小径部が、該小径部の内径よりも大きい長さ連続するように形成され、
   前記副流通孔の羽口先端側の端部は、前記主流通孔の前記羽口先端部に合流するように形成されている、高炉用羽口。

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