JP7849593B2 - Blast furnace operation methods - Google Patents
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Description
本発明は、高炉の操業方法に関する。 This invention relates to a method for operating a blast furnace.
鉄鋼業においては、高炉法が銑鉄製造工程の主流を担っている。高炉法においては、高炉の炉頂から高炉用鉄系原料(酸化鉄を含む原料。主として、焼結鉱。以下、単に「鉄系原料」とも称する)及びコークスを高炉内に交互かつ層状に装入する一方で、高炉下部の羽口から熱風を高炉内に吹き込む。熱風は、熱風とともに吹き込まれる微粉炭、及び、高炉内のコークスと反応することで、高温の還元ガス(ここでは主としてCOガス)を発生させる。すなわち、熱風は、コークス及び微粉炭をガス化させる。還元ガスは、高炉内を上昇し、鉄系原料を加熱しながら還元する。鉄系原料は、高炉内を降下する一方で、還元ガスにより加熱及び還元される。その後、鉄系原料は溶融し、コークスによってさらに還元されながら高炉内を滴下する。鉄系原料は、最終的には炭素を5質量%弱含む溶銑(銑鉄)として炉床部に溜められる。炉床部の溶銑は、出銑口から取り出され、次の製鋼プロセスに供される。したがって、高炉法では、コークス及び微粉炭等の炭材を還元材として使用する。 In the iron and steel industry, the blast furnace method is the dominant process for producing pig iron. In the blast furnace method, blast furnace iron-based raw materials (raw materials containing iron oxide, mainly sintered ore; hereinafter simply referred to as "iron-based raw materials") and coke are alternately and layered into the blast furnace from the top, while hot air is blown into the blast furnace from tuyeres at the bottom. The hot air reacts with the pulverized coal blown in with the hot air and the coke in the blast furnace to generate high-temperature reducing gas (mainly CO gas in this case). In other words, the hot air gasifies the coke and pulverized coal. The reducing gas rises inside the blast furnace, heating and reducing the iron-based raw materials. The iron-based raw materials descend inside the blast furnace, being heated and reduced by the reducing gas. Subsequently, the iron-based raw materials melt and drip down the blast furnace while being further reduced by the coke. Iron-based raw materials are ultimately stored in the hearth as molten pig iron (pig iron) containing slightly less than 5% carbon by mass. The molten pig iron from the hearth is removed through the tap and used in the next steelmaking process. Therefore, in the blast furnace method, carbon materials such as coke and pulverized coal are used as reducing agents.
ところで、近年、地球温暖化防止が叫ばれ、温室効果ガスの一つである二酸化炭素(CO2ガス)の排出量削減が社会問題になっている。上述したように、高炉法では還元材として炭材を使用するので、大量のCO2ガスが発生する。したがって、鉄鋼業はCO2ガス排出量において主要な産業のひとつとなっており、その社会的要請に応えねばならない。具体的には、高炉操業での更なる還元材比(溶銑1トンあたりの還元材使用量)の削減が急務となっている。 Incidentally, in recent years, with calls for preventing global warming, reducing emissions of carbon dioxide ( CO2 gas), one of the greenhouse gases, has become a social issue. As mentioned above, the blast furnace method uses carbon as a reducing agent, which generates a large amount of CO2 gas. Therefore, the steel industry is one of the major industries in terms of CO2 gas emissions, and it must respond to this social demand. Specifically, further reduction of the reducing agent ratio (amount of reducing agent used per ton of molten iron) in blast furnace operation is urgently needed.
還元材は炉内で熱となって装入物を昇温させる役割と、炉内の鉄系原料を還元する役割があり、還元材比を低減させるためには炉内の還元効率を上げる必要がある。炉内の還元反応は様々な反応式で表記することができる。これらの還元反応のうち、コークスによる直接還元反応(反応式:FeO+C⇒Fe+CO)は大きな吸熱を伴う吸熱反応である。したがって、この反応を極力発生させないことが還元材比の低減において重要となる。この直接還元反応は高炉炉下部で生じる反応であるため、鉄系原料が炉下部に至るまでにCO、H2等の還元ガスで鉄系原料を十分に還元することができれば、直接還元反応の対象となる鉄系原料を減らすことができる。 Reducing agents play two roles in the furnace: generating heat to raise the temperature of the charge and reducing the iron-based raw materials. To reduce the reducing agent ratio, it is necessary to increase the reduction efficiency in the furnace. Reduction reactions in the furnace can be expressed by various reaction equations. Of these reduction reactions, the direct reduction reaction by coke (reaction equation: FeO + C ⇒ Fe + CO) is an endothermic reaction that involves significant heat absorption. Therefore, minimizing the occurrence of this reaction is important in reducing the reducing agent ratio. Since this direct reduction reaction occurs in the lower part of the blast furnace, if the iron-based raw materials can be sufficiently reduced by reducing gases such as CO and H₂ before reaching the lower part of the furnace, the amount of iron-based raw materials subject to direct reduction can be reduced.
還元ガスである水素ガス(H2ガス)を吹込む方法として、特許文献1には水素ガスを昇温して吹き込む高炉の操業方法が記載されている。具体的には、水素ガスによる鉄系原料の還元反応が吸熱反応であることによる炉内温度の低下を考慮して、水素ガスの吹込み量に応じて適切な温度に水素ガスを昇温して吹込むことが記載されている。特許文献1の方法によれば、安定した高炉操業を維持しつつCO2排出量を削減することが可能となる。 Patent Document 1 describes a method for operating a blast furnace by injecting hydrogen gas ( H₂ gas), which is a reducing gas, after heating the hydrogen gas. Specifically, it describes heating the hydrogen gas to an appropriate temperature according to the amount of hydrogen gas injected, taking into account the decrease in furnace temperature due to the endothermic reduction reaction of iron-based raw materials by hydrogen gas. According to the method in Patent Document 1, it is possible to reduce CO₂ emissions while maintaining stable blast furnace operation.
しかし、特許文献1に開示された方法の場合、既存の設備では水素ガスを1000℃程度までしか昇温できないため、条件によっては炭素消費量の削減目標の達成が難しい場合もあった。 However, in the case of the method disclosed in Patent Document 1, existing equipment can only raise the temperature of hydrogen gas to about 1000°C, so under certain conditions, it may be difficult to achieve the carbon consumption reduction target.
そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、水素ガスを吹込む高炉の操業方法において、水素ガスの温度が昇温可能な温度範囲内であっても水素ガスの吹込み量を増やすことなく炭素消費量の削減目標を達成可能な高炉の操業方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and aims to provide a method for operating a blast furnace that injects hydrogen gas, which enables the achievement of carbon consumption reduction targets without increasing the amount of hydrogen gas injected, even when the temperature of the hydrogen gas is within the temperature range that can be raised.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その発明の要旨は以下の通りである。 This invention was made to solve the above-mentioned problems, and the gist of the invention is as follows:
(1)水素ガス吹込みを行うことで基本操業諸元よりも炭素消費量を低減した、所定の炭素消費量の水素吹込みベース諸元における、水素ガスと熱風による高炉への投入顕熱量に基づいて所定の顕熱量を決定する第1工程と、水素ガスと熱風による投入顕熱量が、前記第1工程で決定した前記所定の顕熱量となる水素ガスの温度と熱風の温度の関係に基づいて水素ガス温度-熱風温度相関を作成する第2工程と、前記第2工程で作成した前記水素ガス温度-熱風温度相関に基づいて水素ガスの温度である第1の温度と、熱風の温度である第2の温度を決定する第3工程と、前記第3工程で決定された前記第1の温度で水素ガスを羽口から吹込み、前記第2の温度で熱風を前記羽口から吹込む第4工程と、を備えることを特徴とする高炉の操業方法。 (1) A blast furnace operation method comprising: a first step of determining a predetermined sensible heat amount based on the amount of sensible heat input to the blast furnace by hydrogen gas and hot air, in a hydrogen injection base specification with a predetermined carbon consumption, where carbon consumption is reduced compared to the basic operating specifications by injecting hydrogen gas; a second step of creating a hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation based on the relationship between the temperature of the hydrogen gas and the temperature of the hot air so that the amount of sensible heat input by hydrogen gas and hot air becomes the predetermined sensible heat amount determined in the first step; a third step of determining a first temperature, which is the temperature of the hydrogen gas, and a second temperature, which is the temperature of the hot air, based on the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation created in the second step; and a fourth step of injecting hydrogen gas from the tuyere at the first temperature determined in the third step, and injecting hot air from the tuyere at the second temperature.
(2)前記第2工程は、前記水素吹込みベース諸元に対して、水素ガスの吹込み量と熱風の吹込み量を変化させず、水素ガスの温度と熱風の温度を変化させた場合に、水素ガスと熱風による投入顕熱量が前記所定の顕熱量になる水素ガスの温度と熱風の温度に基づいて、前記水素ガス温度-熱風温度相関を求めることを特徴とする上記(1)に記載の高炉の操業方法。 (2) The blast furnace operation method according to (1) above, characterized in that the second step involves changing the hydrogen gas temperature and hot air temperature while keeping the hydrogen gas injection rate and hot air injection rate unchanged with respect to the hydrogen injection base parameters, and determining the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation based on the hydrogen gas temperature and hot air temperature at which the input sensible heat amount from the hydrogen gas and hot air becomes the predetermined sensible heat amount.
(3)前記水素ガス温度-熱風温度相関は、前記所定の顕熱量となる水素ガスの温度と熱風の温度の組み合わせからなるデータの集合に基づいて求められる、前記水素ガスの温度と前記熱風の温度の関係を示す近似式であることを特徴とする上記(1)または(2)に記載の高炉の操業方法。 (3) The blast furnace operation method according to (1) or (2) above, characterized in that the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation is an approximate formula showing the relationship between the hydrogen gas temperature and the hot air temperature, obtained based on a set of data consisting of combinations of hydrogen gas temperatures and hot air temperatures that result in a predetermined sensible heat amount.
(4)前記高炉の操業における炭素消費量毎に第2工程を実施して、前記水素ガス温度-熱風温度相関を導出し、操業における目標とする炭素消費量に対応した前記水素ガス温度-熱風温度相関に基づいて、前記第1の温度と前記第2の温度を決定することを特徴とする上記(1)から(3)のいずれか1つに記載の高炉の操業方法。 (4) A blast furnace operation method according to any one of (1) to (3) above, characterized in that the second step is performed for each carbon consumption amount in the operation of the blast furnace to derive the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation, and the first temperature and the second temperature are determined based on the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation corresponding to the target carbon consumption amount in the operation.
(5)前記第4工程は、熱風の流通経路の前記羽口より上流側において、プラズマ加熱装置によって熱風を前記第2の温度に加熱することを特徴とする上記(1)から(4)のいずれか1つに記載の高炉の操業方法。 (5) The fourth step is characterized in that the hot air is heated to the second temperature by a plasma heating device upstream of the tuyere in the hot air flow path, as described in any one of (1) to (4) above.
本発明によれば、水素ガスを吹込む高炉の操業方法において、水素ガスの温度が昇温可能な温度範囲内であっても水素ガスの吹込み量を増やすことなく炭素消費量の削減目標を達成可能な高炉の操業方法を提供することができる。 According to the present invention, in a blast furnace operation method that injects hydrogen gas, it is possible to provide a method that can achieve the carbon consumption reduction target without increasing the amount of hydrogen gas injected, even when the temperature of the hydrogen gas is within the temperature range that can be raised.
以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。本実施形態の高炉1の操業方法は、還元材としての水素ガスを羽口から熱風と共に吹込むものである。図1は、実施形態に係る高炉1と熱風炉等の構成を示す図である。高炉1は、熱風や水素ガスなどを高炉1内に吹込むために、羽口2と、環状管3と、送風管4と、ランス6と、プラズマ加熱装置8などを備える。 The embodiments will be described below with reference to the drawings. The operation method of the blast furnace 1 in this embodiment involves blowing hydrogen gas, as a reducing agent, into the furnace along with hot air from the tuyeres. Figure 1 shows the configuration of the blast furnace 1 and hot air furnace, etc., according to this embodiment. The blast furnace 1 is equipped with tuyeres 2, annular pipes 3, blower pipes 4, lances 6, plasma heating devices 8, etc., for blowing hot air and hydrogen gas into the blast furnace 1.
羽口2は高炉内に熱風を吹き込むための吹き込み口である。羽口2から吹き込まれる熱風は例えば熱風炉で生成され、熱風炉から環状管3、送風管4を経由して羽口2に供給される。熱風炉は例えば内部に珪石レンガを格子状に組んだ蓄熱室を持つ炉である。熱風の温度を測定し、その測定データに基づき熱風炉における蓄熱量や供給する空気の量を制御して熱風の温度が調整され、環状管3に送られる。また、還元材としての微粉炭を、羽口2を通じて高炉に吹き込むための、微粉炭吹込み用ランスが羽口2又は送風管4に挿通して配置されてもよい。 The tuyeres 2 are inlets for blowing hot air into the blast furnace. The hot air blown in from tuyeres 2 is generated, for example, in a hot blast furnace and supplied to tuyeres 2 via the annular pipe 3 and the blower pipe 4. The hot blast furnace is, for example, a furnace with a heat storage chamber inside, constructed by arranging silica bricks in a grid pattern. The temperature of the hot air is measured, and based on this measurement data, the amount of heat stored in the hot blast furnace and the amount of air supplied are controlled to adjust the temperature of the hot air, which is then sent to the annular pipe 3. Furthermore, a lance for blowing pulverized coal, used as a reducing agent, may be inserted through tuyeres 2 or the blower pipe 4 to blow pulverized coal into the blast furnace through tuyeres 2.
ランス6は、水素ガスを吹込むための吹込みランスである。ランス6は羽口2に挿通されており、ガスタンクから供給される水素ガスがランス6を介して羽口2内に吹込まれる。なお、水素ガスの高炉1への吹込みは通常は羽口2を通じて行うが、これに限定されず、羽口2以外の場所にランス6が設置されて水素ガスが吹き込まれてもよい。ランス6から吹込まれる水素ガスは、水素ガスを加熱する加熱装置によって、所望の温度に加熱されて供給される。 Lance 6 is an injection lance for blowing hydrogen gas. Lance 6 is inserted into the tuyere 2, and hydrogen gas supplied from the gas tank is blown into the tuyere 2 through lance 6. While hydrogen gas is usually injected into the blast furnace 1 through tuyere 2, this is not limited to this; lance 6 may also be installed in locations other than tuyere 2 to inject hydrogen gas. The hydrogen gas injected from lance 6 is heated to the desired temperature by a heating device and then supplied.
ランス6から吹込まれる水素ガスは、水素ガスのみで構成されるものに限られず、水素を主要成分とする水素系ガスであってもよい。水素を80mol%(ランスから吹込むガスを構成するすべてのガスの総物質量に対する水素ガスのmol%)以上含有する水素系ガスであるのが好ましい。 The hydrogen gas injected from lance 6 is not limited to being composed solely of hydrogen gas; it may also be a hydrogen-based gas with hydrogen as its main component. Preferably, it is a hydrogen-based gas containing 80 mol% or more of hydrogen (mol% of hydrogen gas relative to the total amount of all gases constituting the gas injected from lance).
プラズマ加熱装置8は、熱風の温度を通常の操業条件(基本操業諸元)での温度よりも高温に加熱する場合に用いられる加熱装置である。プラズマ加熱装置8は、たとえば羽口2より上流側に配置され、送風管4内や羽口2内においてプラズマトーチにより熱風を加熱する。なお、プラズマ加熱装置8による熱風の加熱位置はこれに限られず、熱風炉から水素ガス合流位置であるランス6先端までの間で熱風を加熱できれば、どこであってもよい。羽口2の手前において、プラズマ加熱装置8によって熱風を加熱することで、既存の熱風炉における加熱条件や設備を変更することなく、基本操業条件の熱風の温度から適切に昇温させることができる。 The plasma heating device 8 is used to heat the hot air to a temperature higher than that under normal operating conditions (basic operating parameters). The plasma heating device 8 is positioned, for example, upstream of the tuyere 2, and heats the hot air using a plasma torch within the air supply pipe 4 or tuyere 2. However, the heating location of the hot air by the plasma heating device 8 is not limited to this; it can be anywhere between the hot air furnace and the tip of the lance 6, where the hydrogen gas confluence occurs, as long as the hot air can be heated. By heating the hot air with the plasma heating device 8 before the tuyere 2, the temperature of the hot air can be appropriately increased from the temperature under basic operating conditions without changing the heating conditions or equipment in the existing hot air furnace.
なおプラズマ加熱による熱風の加熱方法・装置としては、例えば「稲葉 晋一、八木 順一郎、鉄と鋼、78(1992),p1187-1197」、「D. S. Gathergood: Applied Energy Research Conf., Swansea(1989年9月), Session I」、「https://abmproceedings.com.br/en/article/download-pdf/the-use-of-plasma-torches-in-blast-furnace-ironmaking」などに記載の方法を採用してよい。 Furthermore, as a method and apparatus for heating hot air using plasma heating, methods such as those described in "Shinichi Inaba, Junichiro Yagi, Iron and Steel, 78 (1992), pp. 1187-1197," "D. S. Gathergood: Applied Energy Research Conf., Swansea (September 1989), Session I," and "https://abmproceedings.com.br/en/article/download-pdf/the-use-of-plasma-torches-in-blast-furnace-ironmaking" may be adopted.
また、本実施形態において、熱風の温度および水素ガスの温度は羽口から吹込まれる際の温度を意味し、後述の高炉1への投入顕熱量をより正確に評価できるような位置で、温度センサ等により測定された温度であることが好ましい。具体的には、熱風及び水素ガスの温度は、水素ガスが熱風に混ざる位置よりも上流側であって、なるべく羽口2に近い位置で測定される温度であればよい。例えば、図1に示す位置でランス6から水素ガスが吹き込まれる場合は、熱風の温度は羽口2(又は送風管4)内においてランス6の先端よりも上流側の位置で測定されればよい。水素ガスの温度は、ランス6内においてランスの先端側において測定されればよい。 Furthermore, in this embodiment, the temperature of the hot air and the hydrogen gas refer to the temperature at the time they are blown in from the tuyere, and it is preferable that these temperatures be measured by a temperature sensor or the like at a position that allows for a more accurate evaluation of the amount of sensible heat injected into the blast furnace 1, as described later. Specifically, the temperatures of the hot air and hydrogen gas should be measured upstream of the point where the hydrogen gas mixes with the hot air, and as close to the tuyere 2 as possible. For example, if hydrogen gas is blown in from the lance 6 at the position shown in Figure 1, the temperature of the hot air should be measured upstream of the tip of the lance 6 within the tuyere 2 (or air supply pipe 4). The temperature of the hydrogen gas should be measured at the tip of the lance within the lance 6.
なお、熱風が熱風炉から羽口2付近に供給されるまでに低下する温度を、実際の操業やシミュレーションによりあらかじめ確認しておき、その温度低下を考慮して羽口2付近の温度が所望の温度となるような温度に熱風炉やプラズマ加熱装置8の設定温度を設定してもよい。水素ガスについても同様に、ランス6の先端側までの温度低下を考慮して水素ガスのヒーターの設定温度が設定されてもよい。 Furthermore, the temperature drop that occurs when hot air is supplied from the hot air furnace to the vicinity of the tuyere 2 may be confirmed in advance through actual operation or simulation, and the set temperatures of the hot air furnace and plasma heating device 8 may be set to a temperature that takes this temperature drop into consideration so that the temperature near the tuyere 2 reaches the desired temperature. Similarly, for hydrogen gas, the set temperature of the hydrogen gas heater may be set considering the temperature drop up to the tip of the lance 6.
次に、本実施形態の高炉の操業方法を説明する。本実施形態に係る高炉の操業方法は、以下の第1工程~第4工程を有する。
(第1工程)水素ガス吹込みを行うことで基本操業諸元よりも炭素消費量を低減した、所定の炭素消費量の水素吹込みベース諸元における、水素ガスと熱風による高炉への投入顕熱量に基づいて所定の顕熱量を決定する
(第2工程)水素ガスと熱風による投入顕熱量が、第1工程で決定した所定の顕熱量となる水素ガスの温度と熱風の温度の関係に基づいて水素ガス温度-熱風温度相関を作成する
(第3工程)第2工程で作成した水素ガス温度-熱風温度相関に基づいて水素ガスの温度(第1の温度)と、熱風の温度(第2の温度)を設定する
(第4工程)第3工程でそれぞれ設定された温度で水素ガス及び熱風を羽口から吹込んで操業を行う
Next, the operation method of the blast furnace according to this embodiment will be described. The operation method of the blast furnace according to this embodiment has the following first to fourth steps.
(Step 1) Determine a predetermined sensible heat amount based on the amount of sensible heat input to the blast furnace by hydrogen gas and hot air, using hydrogen gas injection as the base hydrogen injection parameters, which reduce carbon consumption compared to the basic operating parameters by injecting hydrogen gas. (Step 2) Create a hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation based on the relationship between the temperature of the hydrogen gas and the temperature of the hot air so that the amount of sensible heat input by hydrogen gas and hot air becomes the predetermined sensible heat amount determined in Step 1. (Step 3) Set the temperature of the hydrogen gas (first temperature) and the temperature of the hot air (second temperature) based on the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation created in Step 2. (Step 4) Inject hydrogen gas and hot air from the tuyeres at the temperatures set in Step 3 and begin operation.
以下、各工程について説明する。なお本明細書において「炭素消費原単位」は、溶銑1トンを製造するのに要した炭素(すなわち溶銑1トンあたりの炭素消費量)である。「炭素消費原単位の削減率」は、基本操業諸元での操業における炭素消費原単位に対して、別の諸元の操業において削減された炭素消費原単位の割合を意味する。基本諸元の炭素消費原単位をA(kg/t)、別のある諸元の操業時における炭素消費原単位をB(kg/t)とすると、炭素消費原単位の削減率ΔCは、以下の数式で示される。
△C=(A-B)/A×100(%)
炭素消費原単位の削減率ΔCが大きいほど、還元材比も低減し、ひいてはCO2排出量が削減される。
The following describes each process. In this specification, "carbon consumption per unit" refers to the carbon required to produce one ton of molten iron (i.e., the amount of carbon consumed per ton of molten iron). "Reduction rate of carbon consumption per unit" means the ratio of the reduction in carbon consumption per unit in operation under different operating conditions to the carbon consumption per unit in operation under the basic operating conditions. If the carbon consumption per unit under the basic conditions is A (kg/t) and the carbon consumption per unit in operation under a different set of conditions is B (kg/t), then the reduction rate of carbon consumption per unit ΔC is given by the following formula.
△C=(A-B)/A×100(%)
The greater the reduction rate ΔC in carbon consumption intensity, the lower the ratio of reducing agents, and consequently, the lower the CO2 emissions.
また、「基本操業諸元」は、炭素消費量を低減する目標の設定に当たり、その基準とする諸元であり、上記の通り炭素消費量の削減率は基本操業諸元での炭素消費量を基準に算出される。本実施形態においては、水素ガスを吹き込まない操業を基本操業諸元として説明するが、これに限られず、基準とする操業条件として設定できる諸元であればよい。水素ガス吹込みを行っている操業諸元を基本操業諸元とし、炭素消費量の削減目標の基準とし、その操業条件から本実施形態の方法により炭素消費量を低減するものであってもよい。 Furthermore, the "basic operating parameters" are the parameters used as a basis for setting targets for reducing carbon consumption, and as described above, the carbon consumption reduction rate is calculated based on the carbon consumption under the basic operating parameters. In this embodiment, operation without hydrogen gas injection is described as the basic operating parameters, but it is not limited to this; any parameters that can be set as standard operating conditions are acceptable. Alternatively, the operating parameters with hydrogen gas injection may be used as the basic operating parameters, the carbon consumption reduction target may be set as the basis, and carbon consumption may be reduced using the method of this embodiment based on those operating conditions.
また、上記工程において水素ガス温度-熱風温度相関を求める場合や決定した条件での操業における炭素消費量の削減効果の評価には、高炉数学モデルを用いた高炉操業シミュレーションを用いればよい。高炉数学モデルとしては、高炉全体の操業状態をシミュレートできればどのような数学モデルを使用してもよい。本実施形態では一例として「Kouji TAKATANI、Takanobu INADA、Yutaka UJISAWA、「Three-dimensional Dynamic Simulator for Blast Furnace」、ISIJ International、Vol.39(1999)、No.1、p.15-22」に記載の高炉数学モデルを用いた。当該高炉数学モデルは、概略的には、高炉の内部領域を高さ方向、径方向、周方向に分割することで複数のメッシュ(小領域)を規定し、各メッシュの挙動をシミュレーションするものである。 Furthermore, when determining the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation in the above process, or when evaluating the carbon consumption reduction effect under the determined operating conditions, a blast furnace operation simulation using a blast furnace mathematical model may be used. Any mathematical model that can simulate the overall operating state of the blast furnace can be used as the blast furnace mathematical model. In this embodiment, as an example, the blast furnace mathematical model described in "Koji TAKATANI, Takanobu INADA, Yutaka UJISAWA, "Three-dimensional Dynamic Simulator for Blast Furnace", ISIJ International, Vol. 39 (1999), No. 1, pp. 15-22" was used. This blast furnace mathematical model, in essence, defines multiple meshes (small regions) by dividing the internal region of the blast furnace in the height, radial, and circumferential directions, and then simulates the behavior of each mesh.
第1工程について説明する。まず、目標とする炭素消費量として炭素消費原単位の削減率を設定する。例えば、以下の表1に示す基本操業諸元に対して、水素ガス吹込みを行って還元材としての微粉炭吹込み量を減らすことで、全体で20%の削減率を達成するという目標を設定する。 Let's explain the first step. First, we set a target reduction rate for carbon consumption per unit of production. For example, based on the basic operating parameters shown in Table 1 below, we set a target of achieving an overall reduction rate of 20% by reducing the amount of pulverized coal injected as a reducing agent through hydrogen gas injection.
次に、基本操業諸元に対して、炉頂温度、溶銑温度、出銑量が一定となる条件下において、水素ガス吹込みを行うことにより、炭素消費原単位が20%の削減率となる操業条件を設定する。具体的には、炉頂温度、溶銑温度、出銑量が一定となるように、微粉炭吹込み量を減少させ、熱風の吹込み量(送風量)、酸素富化量を調整し、水素ガスの吹込み条件(吹込み量および温度)を設定することで、上記操業条件を決定する。 Next, operating conditions are set to reduce carbon consumption per unit area by 20% by injecting hydrogen gas, under conditions where the furnace top temperature, molten iron temperature, and iron tapping volume remain constant relative to the basic operating parameters. Specifically, these operating conditions are determined by reducing the amount of pulverized coal injected, adjusting the amount of hot air injected (airflow rate), and oxygen enrichment rate, and setting the hydrogen gas injection conditions (injection rate and temperature) so that the furnace top temperature, molten iron temperature, and iron tapping volume remain constant.
水素ガスの吹込み条件は、特許文献1に記載の方法で決定することができる。すなわち、基本操業諸元に対して炉頂温度、出銑比、溶銑温度が一定となるように、熱風の吹込み量(送風量)、酸素富化率、微粉炭吹込み量を調整する。当該調整をしつつ、ある水素ガス温度において水素ガスの吹込み量を変化させた場合の炭素消費原単位の削減率を求める。 The hydrogen gas injection conditions can be determined by the method described in Patent Document 1. Specifically, the hot air injection rate (airflow rate), oxygen enrichment rate, and pulverized coal injection rate are adjusted so that the furnace top temperature, tapping ratio, and molten iron temperature remain constant relative to the basic operating parameters. While making these adjustments, the reduction rate of carbon consumption per unit of production is determined when the hydrogen gas injection rate is varied at a given hydrogen gas temperature.
そして、水素ガス温度を変化させて、同様に吹込み量を変化させた場合の削減率を求めることを繰り返し、温度帯ごとの水素ガス吹込み量と削減率との関係を求める。求めた関係の中から、達成したい炭素消費原単位の削減率になる水素ガス温度と、吹込み量を選択することで決定されればよい。達成したい削減率になる水素ガスの温度と吹込み量の組み合わせは複数存在する場合もあるので、他の操業条件等の事情に応じて適切な条件を選択すればよい。 Then, by repeatedly changing the hydrogen gas temperature and similarly changing the injection rate, the reduction rate is determined, and the relationship between the hydrogen gas injection rate and the reduction rate for each temperature range is established. From the relationships obtained, the hydrogen gas temperature and injection rate that result in the desired reduction rate of carbon consumption per unit area should be selected. Since there may be multiple combinations of hydrogen gas temperature and injection rate that result in the desired reduction rate, the appropriate conditions should be selected according to other operating conditions and circumstances.
なお、本実施形態の説明において、以上の方法で水素ガスの条件(温度と吹込み量)を調整して設定した、所定の炭素消費量となる操業条件を、水素吹込みベース諸元とも記載する。 In this description of the embodiment, the operating conditions that result in a predetermined carbon consumption, achieved by adjusting the hydrogen gas conditions (temperature and injection rate) using the method described above, will also be referred to as the hydrogen injection base specifications.
一例として、水素ガス温度を1200℃、水素吹込み量を約270Nm3/tに設定した、炭素消費原単位の削減率が20%となる水素吹込みベース諸元を表2に示す。 As an example, Table 2 shows the hydrogen injection base specifications that result in a 20% reduction in carbon consumption per unit of production, with the hydrogen gas temperature set to 1200°C and the hydrogen injection rate set to approximately 270 Nm³ /t.
次に、水素吹込みベース諸元における、羽口2からの投入顕熱量を導出する。投入顕熱量は、吹込み温度と、比熱と、吹込み量の積により求めることができる。本実施形態においては、水素吹込みベース諸元における、熱風による投入顕熱量と、水素ガスによる投入顕熱量の合計の顕熱量を導出する。この導出された水素ガスと熱風による投入顕熱量の合計を、次の第2工程において水素ガス温度-熱風温度相関を作成する際に利用する所定の顕熱量とする。 Next, the amount of sensible heat input from tuyere 2 in the hydrogen injection base specifications is derived. The amount of sensible heat input can be determined by the product of the injection temperature, specific heat, and injection rate. In this embodiment, the total sensible heat input from the hot air and the hydrogen gas is derived in the hydrogen injection base specifications. This derived sum of sensible heat input from hydrogen gas and hot air is used as a predetermined sensible heat amount when creating the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation in the next second step.
次に、第2工程について説明する。水素吹込みベース諸元から、水素ガス吹込み量および熱風の吹込み量(送風量)は変えずに一定とし、水素ガス温度と熱風温度を調整して、投入顕熱量が上記導出した所定の顕熱量となる水素ガス温度と熱風温度をプロットする。上述のとおり顕熱量は吹込み温度と比熱と吹込み量の積で求められ、熱風と水素ガスの合計の投入顕熱量は導出した所定の顕熱量で変わらないので、水素ガス温度をある温度に設定すれば、投入顕熱量が一定となる熱風温度を導出することができる。 Next, we will explain the second step. Using the hydrogen injection base specifications, the hydrogen gas injection rate and the hot air injection rate (airflow rate) are kept constant. The hydrogen gas temperature and hot air temperature are adjusted, and the hydrogen gas temperature and hot air temperature are plotted so that the input sensible heat amount becomes the predetermined sensible heat amount derived above. As mentioned above, the sensible heat amount is calculated as the product of the injection temperature, specific heat, and injection rate. Since the total input sensible heat amount of hot air and hydrogen gas remains constant at the predetermined sensible heat amount derived, setting the hydrogen gas temperature to a certain temperature allows us to derive the hot air temperature at which the input sensible heat amount becomes constant.
以上の方法により、表2の20%削減の水素吹込みベース諸元と同じ投入顕熱量である所定の顕熱量となる、水素ガス温度と熱風温度の組み合わせを何点か導出する。それらのプロットから得られる近似直線が本実施形態における熱風温度と水素ガス温度の関係を表す水素ガス温度-熱風温度相関である。換言すれば、水素吹込みベース諸元と同じ所定の顕熱量となる、水素ガス温度と熱風温度の組み合わせからなるデータの集合を作成し、当該集合に基づいて特定される近似式が水素ガス温度-熱風温度相関となる。近似直線(近似式)は、たとえば最小二乗法により求めればよい。また、本実施形態の水素ガス温度-熱風温度相関である近似直線(近似式)は、熱風温度と水素ガス温度の関係を一次関数で示す式となる。 Using the method described above, several combinations of hydrogen gas temperature and hot air temperature are derived that result in a predetermined sensible heat amount, which is the same as the hydrogen injection base specifications for a 20% reduction shown in Table 2. The approximate straight line obtained from these plots represents the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation, which expresses the relationship between hot air temperature and hydrogen gas temperature in this embodiment. In other words, a set of data consisting of hydrogen gas temperature and hot air temperature combinations that result in the same predetermined sensible heat amount as the hydrogen injection base specifications is created, and the approximate formula identified based on this set is the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation. The approximate straight line (approximate formula) can be obtained, for example, by the least squares method. Furthermore, the approximate straight line (approximate formula) representing the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation in this embodiment is an equation that shows the relationship between hot air temperature and hydrogen gas temperature as a linear function.
図2に上記の例で求めた、削減率20%の場合の水素ガス温度-熱風温度相関を表すグラフを示す。図2には、基本操業諸元に対して炭素消費原単位の削減率が40%となる水素吹込みベース諸元(下記表3に示す。)から、同様の方法で求めた水素ガス温度-熱風温度相関も表示する。 Figure 2 shows a graph representing the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation for a 20% reduction rate, as calculated in the example above. Figure 2 also displays the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation calculated using the same method from the hydrogen injection base parameters (shown in Table 3 below) that result in a 40% reduction in carbon consumption per unit of output relative to the basic operating parameters.
表3に示す削減率40%の水素吹込みベース諸元は、削減率20%の場合と同様に特許文献1に記載の方法により、水素ガスの温度帯ごとに水素吹込み量と削減率の関係を求めて、その関係の中から削減率40%を達成できる操業条件として決定したものである。なお、説明をわかりやすくするために、熱風温度と水素ガス温度を削減率20%の場合と同じ1200℃とした場合における削減率40%の水素吹込みベース諸元である。 The hydrogen injection base specifications for a 40% reduction rate shown in Table 3 were determined by calculating the relationship between the hydrogen injection amount and the reduction rate for each hydrogen gas temperature range using the method described in Patent Document 1, similar to the case for a 20% reduction rate. The operating conditions that achieve a 40% reduction rate were then selected from these relationships. For clarity, these are the hydrogen injection base specifications for a 40% reduction rate when the hot air temperature and hydrogen gas temperature are set to 1200°C, the same as in the case for a 20% reduction rate.
図2の水素ガス温度-熱風温度相関において、まず、削減率20%の方については、グラフ右端の水素ガス温度が1200℃、熱風温度1200℃が、表2に示した削減率20%の水素吹込みベース諸元に対応する。そして、水素ガス温度と熱風温度の関係が削減率20%の水素ガス温度-熱風温度相関を満たしていれば、水素ガスの温度を1200℃から下げた操業においても、高炉1への投入顕熱量は所定の顕熱量で一定で削減率20%を達成できる。なお、削減率20%の水素ガス温度-熱風温度相関は、表2の水素吹込みベース諸元に対して水素ガス温度と熱風温度のみが変化し、水素ガス吹込み量や熱風の吹込み量は一定の操業条件における相関である。 In the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation shown in Figure 2, for the 20% reduction rate, the hydrogen gas temperature of 1200°C and the hot air temperature of 1200°C at the right end of the graph correspond to the hydrogen injection base specifications for a 20% reduction rate shown in Table 2. If the relationship between the hydrogen gas temperature and the hot air temperature satisfies the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation for a 20% reduction rate, then even when the hydrogen gas temperature is lowered from 1200°C, the amount of sensible heat input to blast furnace 1 remains constant at a predetermined amount, achieving a 20% reduction rate. Note that the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation for a 20% reduction rate is a correlation under operating conditions where only the hydrogen gas temperature and hot air temperature change relative to the hydrogen injection base specifications in Table 2, while the hydrogen gas injection rate and hot air injection rate remain constant.
炭素消費原単位の削減率40%の方についても、20%の場合と同様である。表3の水素吹込みベース諸元に対応するのが、グラフ右端の水素ガス温度1200℃、熱風温度1200℃の条件である。そして、水素ガスと熱風の温度が削減率40%の水素ガス温度-熱風温度相関を満たしていれば、水素ガスの温度を1200℃から下げた操業としても、高炉1への投入顕熱量は一定となり、削減率40%を達成できる。 The same principles apply to the 40% reduction in carbon consumption per unit of production as to the 20% reduction. The hydrogen injection base specifications in Table 3 correspond to the conditions at the far right of the graph, where the hydrogen gas temperature is 1200°C and the hot air temperature is 1200°C. If the hydrogen gas temperature and hot air temperature satisfy the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation for a 40% reduction, then even if the hydrogen gas temperature is lowered from 1200°C, the amount of sensible heat input to blast furnace 1 remains constant, and a 40% reduction can be achieved.
なお、水素吹込みベース諸元における熱風と水素ガスの温度が同じ1200℃の場合、削減率40%の削減率の達成に必要な水素ガス吹込み量は20%の場合より多くなる。そして、図2のグラフに示すように、削減率40%の場合は20%の場合よりも水素ガス温度の低下に対して熱風をより高い温度に昇温する必要がある。つまり、炭素消費量の削減率が高くなるにしたがって、水素吹込み量が多くなるため、同じ投入顕熱量を維持するために熱風温度をより高い温度に昇温する必要がある。 Furthermore, assuming the hot air and hydrogen gas temperatures are both 1200°C in the hydrogen injection base specifications, the amount of hydrogen gas injected to achieve a 40% reduction rate will be greater than that required for a 20% reduction rate. As shown in the graph in Figure 2, for a 40% reduction rate, the hot air needs to be heated to a higher temperature to compensate for the decrease in hydrogen gas temperature compared to the 20% reduction rate. In other words, as the carbon consumption reduction rate increases, the amount of hydrogen injected increases, requiring the hot air temperature to be raised higher to maintain the same input sensible heat.
水素ガス温度-熱風温度相関は、炭素消費原単位の削減率目標が決まっている場合に、その削減率に対応する相関を求めてもよいし、あらかじめ削減率毎に複数の相関を求めておき、実施可能な操業条件に応じて達成する削減率を決定し、その削減率の相関を使用して最終的な操業条件を決定してもよい。 The hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation can be calculated based on a predetermined carbon consumption intensity reduction target. Alternatively, multiple correlations can be calculated in advance for each reduction rate. The achievable reduction rate can then be determined based on feasible operating conditions, and the final operating conditions can be determined using the correlations of these reduction rates.
次に、第3工程について説明する。第3工程は、第2工程によって求めた水素ガス温度-熱風温度相関に基づいて水素ガス温度(第1の温度)と熱風温度(第2の温度)を決定する工程である。 Next, we will explain the third step. The third step is to determine the hydrogen gas temperature (first temperature) and the hot air temperature (second temperature) based on the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation obtained in the second step.
以下の説明において、本実施形態の方法により、水素ガス温度-熱風温度相関に基づいて水素ガス温度と熱風温度が設定された操業条件を「吹込み温度調整諸元」とも記載する。 In the following description, the operating conditions under which the hydrogen gas temperature and hot air temperature are set based on the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation using the method of this embodiment will also be referred to as "injection temperature adjustment parameters."
まず、操業で達成したい炭素消費量である炭素消費原単位の削減率を設定する。そして、その削減率についてあらかじめ第2工程で求めた水素ガス温度-熱風温度相関に基づいて、水素ガス温度と熱風温度を決定する。 First, the reduction rate for carbon consumption per unit of operation, which is the amount of carbon consumption to be achieved during operation, is set. Then, based on the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation determined in the second step, the hydrogen gas temperature and hot air temperature are determined based on that reduction rate.
水素ガス温度については、水素ガスの昇温設備が昇温可能な温度範囲において決定されればよい。また、熱風温度については、高炉の耐火物やその他設備に影響を与えない温度範囲において決定されればよい。水素ガス温度と熱風温度はいずれを優先して決定してもよく、たとえば設備条件などに応じて条件がより厳しい方の温度から決定し、その温度に対応する他方の温度を水素ガス温度-熱風温度相関から決定してもよいし、相関に基づき両方の温度を考慮しながら適当な温度の組み合わせを決定してもよい。 The hydrogen gas temperature should be determined within the temperature range that the hydrogen gas heating equipment can achieve. The hot air temperature should be determined within a temperature range that does not affect the blast furnace refractories or other equipment. Either the hydrogen gas temperature or the hot air temperature can be prioritized; for example, depending on the equipment conditions, the temperature with the more stringent requirements may be determined first, and the corresponding temperature of the other may be determined from the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation. Alternatively, an appropriate temperature combination may be determined by considering both temperatures based on the correlation.
たとえは、削減率20%とする場合で、水素ガスの昇温設備が600℃までしか加熱できないなどの理由に基づき、水素ガス温度を600℃と設定する。そして図2の削減率20%の水素ガス温度-熱風温度相関から、水素ガス温度600℃の場合の熱風温度を約1400℃と決定することができる。このとき、水素ガス温度600℃、熱風温度1400℃とした吹込み温度調整諸元は、水素ガス温度と熱風温度が1200℃の表2の水素吹込みベース諸元に対して投入顕熱量の変化は無く一定である。なお、吹込み温度調整諸元においては、水素ガスの吹込み量と、熱風の吹込み量についても、水素吹込みベース諸元と同じ吹込み量で一定とし、酸素量など他の操業条件についても水素吹込みベース諸元と同じとする。 For example, in the case of a 20% reduction rate, the hydrogen gas temperature is set to 600°C due to reasons such as the hydrogen gas heating equipment only being able to heat up to 600°C. Then, from the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation for a 20% reduction rate shown in Figure 2, the hot air temperature for a hydrogen gas temperature of 600°C can be determined to be approximately 1400°C. In this case, the injection temperature adjustment parameters, with a hydrogen gas temperature of 600°C and a hot air temperature of 1400°C, remain constant compared to the hydrogen injection base parameters in Table 2, where both the hydrogen gas and hot air temperatures are 1200°C, with no change in the input sensible heat. Furthermore, in the injection temperature adjustment parameters, the injection volume of hydrogen gas and hot air are kept constant, the same as in the hydrogen injection base parameters, and other operating conditions such as oxygen levels are also kept the same as in the hydrogen injection base parameters.
また、逆に熱風温度の上限が1400℃であるという条件がある場合であれば、熱風の温度を1400℃に決定し、対応する水素温度(図2において削減率20%とする場合であれば、約600℃)を水素ガス温度-熱風温度相関に基づいて決定してもよい。 Conversely, if there is a condition that the upper limit of the hot air temperature is 1400°C, the hot air temperature may be set to 1400°C, and the corresponding hydrogen temperature (approximately 600°C if the reduction rate is 20% in Figure 2) may be determined based on the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation.
次に、第4工程は、水素ガス温度と熱風温度を第3工程で決定した温度に調整した吹込み温度調整諸元により操業を行う工程である。本実施形態の方法で決定した吹込み温度調整諸元により操業することで、炭素消費原単位の削減目標を達成した操業が可能となる。これにより、水素吹込み量を増やすことなく、水素ガス温度を調整可能な範囲で削減目標を達成した安定的な操業を行うことができる。 Next, the fourth step is to operate the system using the injection temperature adjustment parameters, which are determined in the third step by adjusting the hydrogen gas temperature and hot air temperature to the desired temperatures. By operating using the injection temperature adjustment parameters determined by the method of this embodiment, it becomes possible to achieve the carbon consumption intensity reduction target. This allows for stable operation that achieves the reduction target within a range where the hydrogen gas temperature can be adjusted, without increasing the hydrogen injection rate.
本実施形態においては、水素吹込みベース諸元について、熱風の温度を基本操業諸元の温度から変えないで、炭素消費量が所定の削減率となる水素ガス吹込み量と水素ガス温度を設定した。そして、その水素吹込みベース諸元を基礎として水素ガス温度-熱風温度相関を求めたが、これに限られない。上述の通り、同じ削減率を達成可能な水素吹込みベース諸元は、基本操業諸元の出銑比や溶銑温度などが変わらない範囲で任意に設定できる。そのため、他の条件に応じて水素吹込みベース諸元を適宜設定し、その諸元に対応する水素ガス温度-熱風温度相関を求めることができる。従って、本実施形態によれば、基本操業諸元と同様の出銑比等における安定的な操業を実現しつつ、さまざまな条件に対応した水素ガス温度と熱風温度を決定することができる。 In this embodiment, the hydrogen injection base parameters were set such that the hydrogen gas injection rate and hydrogen gas temperature would result in a predetermined reduction in carbon consumption, while keeping the hot air temperature the same as the basic operating parameters. The hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation was then determined based on these hydrogen injection base parameters, but this is not the only method. As described above, hydrogen injection base parameters capable of achieving the same reduction rate can be arbitrarily set within a range where the basic operating parameters, such as the tapping ratio and molten iron temperature, remain unchanged. Therefore, the hydrogen injection base parameters can be appropriately set according to other conditions, and the corresponding hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation can be determined. Consequently, this embodiment allows for stable operation at the same tapping ratio as the basic operating parameters while determining hydrogen gas temperatures and hot air temperatures to accommodate various conditions.
本実施形態の方法で決定される吹込み温度調整諸元について、通常は、水素吹込みベース諸元に対して水素温度は低下させる一方で、熱風温度は合計の投入顕熱量が一定となるように上昇させた条件となるが、必ずしもそれに限られない。たとえば、設備などの条件によっては、水素温度を水素吹込みベース諸元の温度から上昇させて、水素ガス温度-熱風温度相関に基づき熱風温度を低下させてもよい。つまり、吹込み温度調整諸元は、熱風温度と水素ガス温度の両方が、水素ガス温度-熱風温度相関に基づいて調整された諸元であればよい。 Regarding the injection temperature adjustment parameters determined by the method of this embodiment, typically, the hydrogen temperature is lowered compared to the hydrogen injection base parameters, while the hot air temperature is increased so that the total input sensible heat remains constant. However, this is not necessarily the only condition. For example, depending on the equipment and other conditions, the hydrogen temperature may be increased from the temperature of the hydrogen injection base parameters, and the hot air temperature may be lowered based on the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation. In other words, the injection temperature adjustment parameters only need to be parameters in which both the hot air temperature and hydrogen gas temperature are adjusted based on the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation.
本実施形態においては、炭素消費量の削減量を評価するパラメータとして、炭素消費原単位の削減率を用いたがこれに限られない。水素ガス吹込みによる炭素消費量の変化を評価できればどのようなパラメータを用いてもよく、炭素消費原単位、還元材比、還元材比の削減割合(ベース操業に対する還元材比の削減割合。求め方は炭素消費原単位の削減割合と同様)等でもよい。 In this embodiment, the reduction rate of carbon consumption per unit of operation was used as a parameter to evaluate the reduction in carbon consumption, but it is not limited to this. Any parameter that can evaluate the change in carbon consumption due to hydrogen gas injection may be used, such as carbon consumption per unit of operation, reducing agent ratio, or reduction rate of the reducing agent ratio (reduction rate of the reducing agent ratio relative to base operation; the method of calculation is the same as for the reduction rate of carbon consumption per unit of operation).
また、本実施形態においては、熱風の温度をさらに加熱する手段としてプラズマ加熱装置を示したがこれに限られず、必要な温度に加熱可能な手段であれば適宜他の手段を用いてもよい。 Furthermore, while a plasma heating device is shown as a means for further heating the hot air in this embodiment, the invention is not limited to this; other means capable of heating to the required temperature may be used as appropriate.
以下、実施例を示して本発明についてさらに詳細に説明する。本実施形態の方法であらかじめ求めた水素ガス温度-熱風温度相関を利用し、上述の高炉数学モデルを使用して高炉の操業のシミュレーションを行い、炭素消費原単位の削減効果について確認した。 The present invention will be described in further detail below with reference to examples. Using the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation previously determined by the method of this embodiment, a simulation of blast furnace operation was performed using the blast furnace mathematical model described above, and the effect of reducing carbon consumption per unit of production was confirmed.
基本操業諸元は表1に示した条件を用い、水素ガスのみを昇温させて削減率20%と40%を達成する水素吹込みベース諸元は、表2と表3に示した条件とした。表2および表3の諸元から、水素温度を900℃とした場合に、あらかじめ求めた水素ガス温度-熱風温度相関に基づき、目標の削減率を達成できる熱風温度を決定した。その他の操業条件については、表2および表3の水素吹込みベース諸元と同じとした。削減率20%と40%のそれぞれの水素ガス温度-熱風温度相関は、図2のグラフに示した関係を用いた。以上のように決定した吹込み温度調整諸元で高炉操業をシミュレートした。 The basic operating parameters were those shown in Table 1. The hydrogen injection base parameters for achieving reduction rates of 20% and 40% by heating only hydrogen gas were those shown in Tables 2 and 3. Based on the parameters in Tables 2 and 3, and assuming a hydrogen temperature of 900°C, the hot air temperature required to achieve the target reduction rate was determined based on the previously calculated hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation. Other operating conditions were the same as those for the hydrogen injection base parameters in Tables 2 and 3. The hydrogen gas temperature-hot air temperature correlations for 20% and 40% reduction rates were determined using the relationship shown in the graph in Figure 2. The blast furnace operation was simulated using the injection temperature adjustment parameters determined as described above.
また、比較例として、20%と40%の削減率について熱風温度は変化させずに水素温度と水素吹込み量を変化させることで各削減率を達成する操業条件についてもシミュレートした。 Furthermore, as a comparative example, we simulated the operating conditions required to achieve 20% and 40% reduction rates by changing the hydrogen temperature and hydrogen injection rate while keeping the hot air temperature constant.
まず、削減率20%について、実施例と比較例での操業結果を図3のグラフに示す。図3は、削減率20%となる、水素吹込みベース諸元1、比較例1、実施例1の各操業諸元で操業を行った場合における、水素ガス吹込み量を示したグラフである。図3においてBTは熱風温度を表す。 First, regarding a 20% reduction rate, the operating results for the example and comparative example are shown in the graph in Figure 3. Figure 3 is a graph showing the hydrogen gas injection amount when operating under the operating specifications for hydrogen injection base specification 1, comparative example 1, and example 1, which result in a 20% reduction rate. In Figure 3, BT represents the hot air temperature.
20%削減を達成する水素吹込みベース諸元1では表2に示した通り約270Nm3/tの水素吹込み量が必要であった。水素温度を900℃に下げて、熱風温度は表2の条件のまま1200℃とした比較例1では、20%削減を達成するために300Nm3/tの水素吹込み量が必要となった。つまり、比較例1では同じ削減率20%を達成するためにより多量の水素吹込みが必要となった。 As shown in Table 2, hydrogen injection base specification 1, which achieved a 20% reduction, required a hydrogen injection rate of approximately 270 Nm³ /t. In comparative example 1, where the hydrogen temperature was lowered to 900°C and the hot air temperature remained at 1200°C under the conditions shown in Table 2, a hydrogen injection rate of 300 Nm³ /t was required to achieve a 20% reduction. In other words, comparative example 1 required a larger amount of hydrogen injection to achieve the same 20% reduction rate.
一方、実施例1では、水素温度が900℃でも、熱風温度をプラズマ加熱装置によって1302℃に昇温させて送風することで、水素吹込みベース諸元による吹込み量と同じ270Nm3/t程度の水素ガス吹込みで削減率20%を達成できた。 On the other hand, in Example 1, even with a hydrogen temperature of 900°C, by raising the hot air temperature to 1302°C using a plasma heating device and blowing the air, a reduction rate of 20% was achieved with a hydrogen gas injection rate of approximately 270 Nm³ /t, which is the same as the injection rate specified in the hydrogen injection base specifications.
次に削減率40%について、実施例と比較例での操業結果を図4のグラフに示す。図4は、削減率40%となる、水素吹込みベース諸元2、比較例2、実施例2の各操業諸元で操業を行った場合における水素ガス吹込み量を示したグラフである。図4においてBTは熱風温度を表す。 Next, regarding a 40% reduction rate, the operating results for the example and comparative example are shown in the graph in Figure 4. Figure 4 is a graph showing the hydrogen gas injection amount when operating under the hydrogen injection base specifications 2, comparative example 2, and example 2, which result in a 40% reduction rate. In Figure 4, BT represents the hot air temperature.
40%削減を達成する水素吹込みベース諸元2では表3に示した通り約650Nm3/tの水素吹込み量が必要であった。水素温度を900℃に下げて、熱風温度は表3の条件の1200℃のままとした比較例2では、40%削減を達成するために900Nm3/tの吹込み量が必要となり、より多量の水素吹込みが必要となった。 In the hydrogen injection base specifications 2, which achieved a 40% reduction, a hydrogen injection rate of approximately 650 Nm³ /t was required, as shown in Table 3. In comparative example 2, where the hydrogen temperature was lowered to 900°C and the hot air temperature remained at 1200°C as in Table 3, a hydrogen injection rate of 900 Nm³ /t was required to achieve a 40% reduction, indicating that a larger amount of hydrogen injection was necessary.
一方、実施例2では、水素温度が900℃でも、熱風温度をプラズマ加熱装置によって1510℃に昇温させて送風することで、水素吹込みベース諸元による吹込み量と同じ650Nm3/t程度の水素ガス吹込みで削減率40%を達成できた。 On the other hand, in Example 2, even with a hydrogen temperature of 900°C, by raising the hot air temperature to 1510°C using a plasma heating device and blowing the air, a reduction rate of 40% was achieved with a hydrogen gas injection rate of approximately 650 Nm³ /t, which is the same as the injection rate specified in the hydrogen injection base specifications.
1 高炉
2 羽口
4 送風管
6 ランス
8 プラズマ加熱装置
1. Blast furnace 2. Tuyer 4. Air blower 6. Lance 8. Plasma heating device
Claims (3)
前記水素吹込みベース諸元に対して、水素ガスの吹込み量と熱風の吹込み量を変化させず、水素ガスの温度と熱風の温度を変化させた場合に、水素ガスと熱風による投入顕熱量が、前記第1工程で決定した前記所定の顕熱量となる水素ガスの温度と熱風の温度の関係に基づいて水素ガス温度-熱風温度相関を作成する第2工程と、
前記第2工程で作成した前記水素ガス温度-熱風温度相関に基づいて、1000℃以下の水素ガスの温度である第1の温度と、熱風の温度である第2の温度を決定する第3工程と、
前記第3工程で決定された前記第1の温度で水素ガスを羽口から吹込み、前記第2の温度で熱風を前記羽口から吹込む第4工程と、
を備えることを特徴とする高炉の操業方法。 The first step involves determining a predetermined sensible heat amount based on the amount of sensible heat input to the blast furnace by hydrogen gas and hot air, under hydrogen-injected base specifications with a predetermined carbon consumption, which reduce carbon consumption compared to basic operating specifications without hydrogen gas injection.
A second step involves creating a hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation based on the relationship between the hydrogen gas temperature and the hot air temperature such that the amount of sensible heat input by the hydrogen gas and hot air is the predetermined sensible heat amount determined in the first step, when the hydrogen gas injection rate and the amount of hot air injection rate are kept constant with respect to the hydrogen injection base specifications, while the hydrogen gas temperature and the hot air temperature are changed.
A third step involves determining a first temperature, which is the temperature of the hydrogen gas at 1000°C or less, and a second temperature, which is the temperature of the hot air, based on the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation created in the second step.
A fourth step involves blowing hydrogen gas from the tuyere at the first temperature determined in the third step, and blowing hot air from the tuyere at the second temperature,
A method for operating a blast furnace, characterized by comprising the following:
前記第3工程は、操業における目標とする炭素消費量に対応した前記水素ガス温度-熱風温度相関に基づいて、前記第1の温度と前記第2の温度を決定することを特徴とする請求項1に記載の高炉の操業方法。 The second step is performed for each carbon consumption during the operation of the blast furnace to derive the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation.
The third step is characterized in that the first temperature and the second temperature are determined based on the hydrogen gas temperature-hot air temperature correlation corresponding to the target carbon consumption in operation, as described in claim 1 .
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