(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
羽口から燃料を吹き込むためのランスを三重管とし、当該三重管ランスの最も内側の管の内側を内管ランス、最も内側の管と内側から二番目の管の間を中管ランス、内側から二番面の管と最も外側の管との間を外管ランスとした場合、内管ランス、中管ランス、外管ランスの夫々に、固体燃料、易燃性燃料、支燃性ガスの一種類ずつを単独で且つ全ての種類、吹込み、前記三重管ランスから吹込まれる全ガス量に対する易燃性燃料及び支燃性ガスの割合が50vol%以上であることを特徴とする高炉操業方法。
前記三重管ランスの何れかの管ランスから吹込まれる支燃性ガスは酸素であり、送風に富化する酸素の一部を当該三重管ランスの何れかの管ランスから吹込むことを特徴とする請求項1に記載の高炉操業方法。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
前記特許文献1に記載される高炉操業方法も、前記特許文献2に記載される高炉操業方法も、従来の微粉炭だけを羽口から吹込む方法に比べれば、燃焼温度の向上や還元材原単位の低減に効果があるものの、更なる改良の余地がある。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、より一層の燃焼温度の向上及び還元材原単位の低減を可能とする高炉操業方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題を解決するために、本発明の高炉操業方法は、羽口から燃料を吹き込むためのランスを三重管とし、当該三重管ランスの最も内側の管の内側を内管ランス、最も内側の管と内側から二番目の管の間を中管ランス、内側から二番面の管と最も外側の管との間を外管ランスとした場合、内管ランス、中管ランス、外管ランスの夫々に、固体燃料、易燃性燃料、支燃性ガスの一種類ずつを単独で且つ全ての種類、吹込むことを特徴とするものである。
【0006】
また、前記固体燃料及び易燃性燃料の何れかを外管ランスに吹込むことを特徴とするものである。
また、前記易燃性燃料及び支燃性ガスを隣接する管ランスから吹込むことを特徴とするものである。
また、前記易燃性燃料及び支燃性ガスを内管ランス及び中管ランスの何れかから吹込むことを特徴とするものである。
【0007】
また、前記三重管ランスから吹込まれる全ガス量に対する易燃性燃料又は易燃性燃料及び支燃性ガスの割合が25vol%以上であることを特徴とするものである。
また、前記三重管ランスの何れかの管ランスから吹込まれる支燃性ガスは酸素であり、送風に富化する酸素の一部を当該三重管ランスの何れかの管ランスから吹込むことを特徴とするものである。
また、前記固体燃料が微粉炭であることを特徴とするものである。
また、前記易燃性燃料がLNGであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0008】
而して、本発明の高炉操業方法によれば、羽口から燃料を吹込むためのランスを三重管とし、その三重管の内管ランス、中管ランス、外管ランスの夫々に、固体燃料、易燃性燃料、支燃性ガスの一種類ずつを単独で且つ全ての種類、吹込むことにより、例えば支燃性ガスと共に易燃性燃料が先に燃焼することで固体燃料が爆発的に拡散し、同時に易燃性燃料の燃焼熱で固体燃料の温度が大幅に上昇し、これにより固体燃料の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上し、もって還元材原単位を低減することができる。
【0009】
また、固体燃料及び易燃性燃料の何れかを外管ランスに吹込むことにより、固体燃料又は易燃性燃料が高温に晒されやすくなり、燃料の着火性が向上する。
また、易燃性燃料及び支燃性ガスを隣接する管ランスから吹込むことにより、支燃性ガスと易燃性燃料が先に燃焼することで、固体燃料の温度が大幅に上昇し、これにより固体燃料の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上する。
【0010】
また、易燃性燃料及び支燃性ガスを内管ランス及び中管ランスの何れかから吹込むことにより、支燃性ガスと共に易燃性燃料が先に燃焼することで固体燃料が爆発的に拡散し、同時に易燃性燃料の燃焼熱で固体燃料の温度が大幅に上昇し、これにより固体燃料の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上する。
また、三重管ランスから吹込まれる全ガス量に対する易燃性燃料又は易燃性燃料及び支燃性ガスの割合を25vol%以上とすることにより、高い燃焼温度を確保することができる。
【0011】
また、送風に富化する酸素の一部を支燃性ガスとして三重管ランスの何れかの管ランスから吹込むことにより、高炉内のガスバランスを損なうことがなく、酸素の過剰供給を回避することができる。
【発明を実施するための形態】
【0013】
次に、本発明の高炉操業方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態の高炉操業方法が適用された高炉の全体図である。図に示すように、高炉1の羽口3には、熱風を送風するための送風管2が接続され、この送風管2を貫通してランス4が設置されている。羽口3の熱風送風方向先方のコークス堆積層には、レースウエイ5と呼ばれる燃焼空間が存在し、主として、この燃焼空間でコークス燃焼、ガス化が行われる。
【0014】
図2には、ランス4から微粉炭6だけを吹込んだときの燃焼状態を示す。ランス4から羽口3を通過し、レースウエイ5内に吹込まれた微粉炭6は、コークス7と共に、その揮発分と固定炭素が燃焼し、燃焼しきれずに残った、一般にチャーと呼ばれる炭素と灰分の集合体は、レースウエイから未燃チャー8として排出される。羽口3の熱風送風方向先方における熱風速度は約200m/secであり、ランス4の先端からレースウエイ5内におけるO
2の存在領域は約0.3〜0.5mとされているので、実質的に1/1000秒のレベルで微粉炭粒子の昇温及びO
2との接触効率(分散性)の改善が必要となる。
【0015】
図3は、ランス4から送風管2内に微粉炭(図ではPC:Pulverized Coal)6のみを吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。羽口3からレースウエイ5内に吹込まれた微粉炭6は、レースウエイ5内の火炎からの輻射伝熱によって粒子が加熱し、更に輻射伝熱、伝導伝熱によって粒子が急激に温度上昇し、300℃以上昇温した時点から熱分解が開始し、揮発分に着火して火炎が形成され、燃焼温度は1400〜1700℃に達する。揮発分が放出してしまうと、前述したチャー8となる。チャー8は、主に固定炭素であるので、燃焼反応と共に、炭素溶解反応と呼ばれる反応も生じる。
【0016】
図4は、ランス4から送風管2内に微粉炭6と共にLNG9を吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。微粉炭6とLNG9の吹込み方法は、単純に平行に吹込んだ場合を示している。なお、図中の二点鎖線は、
図3に示した微粉炭のみを吹込んだ場合の燃焼温度を参考に示している。このように微粉炭とLNGを同時に吹込む場合、気体ガスであるLNGが優先的に燃焼し、この燃焼熱によって微粉炭が急速に加熱、昇温すると考えられ、これによりランスに近い位置で燃焼温度が更に上昇する。
【0017】
このような知見に基づき、
図5に示す燃焼実験装置を用いて燃焼実験を行った。実験炉11内にはコークスが充填されており、覗き窓からレースウエイ15の内部を観察することができる。送風管12にはランス14が差し込まれ、燃焼バーナ13で生じた熱風を実験炉11内に所定の送風量で送風することができる。また、この送風管12では、送風の酸素富化量を調整することも可能である。ランス14は、微粉炭及びLNGの何れか一方又は双方を送風管12内に吹込むことができる。実験炉11内で生じた排ガスは、サイクロンと呼ばれる分離装置16で排ガスとダストに分離され、排ガスは助燃炉などの排ガス処理設備に送給され、ダストは捕集箱17に捕集される。
【0018】
最初の燃焼実験には、ランス14に単管ランスと二重管ランスの二種類を用い、単管ランスを用いて微粉炭のみを吹込んだ場合、二重管ランスを用い、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、二重管ランスの外側管からLNGを吹込んだ場合、二重管ランスの内側管からLNGを吹込み、二重管ランスの外側管から微粉炭を吹込んだ場合の夫々について覗き窓から2色温度計による燃焼温度、燃焼位置、未燃チャーの燃焼状況、拡散性を測定した。2色温度計は、周知のように、熱放射(高温物体から低温物体への電磁波の移動)を利用して温度計測を行う放射温度計であり、温度が高くなると波長分布が短波長側にずれていくことに着目して、波長分布の温度の変化を計測することで温度を求める波長分布形の一つであり、中でも波長分布を捉えるため、2つの波長における放射エネルギーを計測し、比率から温度を測定するものである。未燃チャーの燃焼状況は、実験炉11の送風管12内のランス14先から150mm、300mmの位置にてプローブで未燃チャーを回収して、樹脂埋め、研磨後、画像解析によってチャー内空隙率を測定し、判定した。
【0019】
微粉炭の諸元は、固定炭素(FC:Fixed Carbon)77.8%、揮発分(VM:Volatile Matter)13.6%、灰分(Ash)8.6%で、吹込み条件は29.8kg/h(製銑原単位で100kg/t相当)とした(吹込媒体として窒素を使用)。また、LNGの吹込み条件は、3.6kg/h(5Nm
3/h、製銑原単位で10kg/t相当)とした。送風条件は、送風温度1200℃、流量300Nm
3/h、流速70m/s、O
2富化+5.5(酸素濃度26.5%、空気中酸素濃度21%に対し、5.5%の富化)とした。実験結果の評価は、単管ランスから微粉炭のみ(媒体としてN
2を使用)を吹込んだ場合の燃焼温度、燃焼位置、未燃チャーの燃焼状況、拡散性(主として微粉炭)を基準とし、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管からLNGを吹込んだ場合、二重管ランスの内側管からLNGを吹込み、外側管から微粉炭を吹込んだ場合の夫々を評価した。評価は、微粉炭のみの場合と同程度の場合を△、少し改善された場合を○、大幅に改善された場合を◎で表した。
【0020】
図6には、前述した燃焼実験の結果を示す。同図から明らかなように、二重管ランスの内側管から微粉炭を吹込み、外側管からLNGを吹込む場合には、燃焼位置については改善が見られたが、その他の項目については変化が見られない。これは、微粉炭の外側のLNGが先にO
2と接触して速やかに燃焼し、その燃焼熱で微粉炭の加熱速度が上昇したものの、LNGの燃焼にO
2が消費されてしまい、微粉炭の燃焼に必要なO
2が減少して、十分な燃焼温度上昇に至らず、未燃チャーの燃焼状況も改善されなかったと考えられる。一方、二重管ランスの内側管からLNGを吹込み、外側管から微粉炭を吹込む場合には、燃焼温度、未燃チャーの燃焼状況について改善が見られ、拡散性については大幅な改善が見られたものの、燃焼位置については変化が見られない。これは、外側の微粉炭領域を通じた内側のLNGまでのO
2の拡散に時間を要したものの、内側の易燃性のLNGが燃焼すれば、爆発的な拡散が生じ、LNGの燃焼熱で微粉炭が加熱されて燃焼温度も上昇し、未燃チャーの燃焼状況も改善されたものと考えられる。
【0021】
本願発明者は、この実験結果を踏まえて、
図7に示すように、前記実験炉11のランス14に三重管ランスを用い、三重管ランスの最も内側の管の内側を内管ランス、最も内側の管と内側から二番目の管の間を中管ランス、内側から二番面の管と最も外側の管との間を外管ランスとした場合、内管ランスから微粉炭を吹込み、中管ランスからLNGを吹込み、外管ランスから支燃性ガスとしてO
2を吹込み、LNG及びO
2の吹込み量、即ち酸素過剰率を種々に変更して燃焼温度の変化を調べた。
【0022】
微粉炭の諸元は、固定炭素FC:77.2%、揮発分VM:12.2%、灰分Ash:10.6%で、吹込み条件は50kg/h(製銑原単位で142kg/t相当)とした(吹込媒体として窒素を使用)。また、LNGの吹込み条件は、5Nm
3/h、製銑原単位で10kg/t相当、又は10Nm
3/h、製銑原単位で20kg/t相当とした。送風条件は、送風温度1200℃、流量350Nm
3/h、O
2富化+3.5(酸素濃度24.5%)とした。なお、支燃性ガスとしてO
2を吹込む場合には、送風に富化する酸素の一部を用い、炉内に吹き込まれるO
2の総量が変化しないようにした。また、支燃性ガスとしては、大気を用いることもできる。
【0023】
実験結果の燃焼温度を
図7に示す。同図から明らかなように、LNG及びO
2の吹込み量が多いほど、燃焼温度が高くなっている。これには、LNGとO
2を隣接する管ランスから吹込んだことにより、気体ガスであるLNGが優先的に燃焼し、その燃焼熱で微粉炭の温度が急速に上昇したことも良好に作用していると考えられる。
そこで、三重管の管ランスの夫々に吹込む種類を変更して、特に拡散性、燃焼温度、着火性について、前記
図6の実験条件と同じ条件で実験を行った。実験結果の評価を
図8に示す。評価の基準は、単管ランスから微粉炭のみを吹込んだ場合とし、前述のように、微粉炭のみの場合と同程度の場合を△、少し改善された場合を○、大幅に改善された場合を◎で表した。
【0024】
同図から明らかなように、固体燃料である微粉炭又は易燃性燃料であるLNGを外管ランスに吹込むことにより、微粉炭又はLNGが送風の高温に晒されやすくなり、燃料の着火性が向上する。また、易燃性燃料であるLNG及び支燃性ガスであるO
2を隣接する管ランスから吹込むことにより、O
2とLNGが先に燃焼することで、固体燃料である微粉炭の温度が大幅に上昇し、これにより微粉炭の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上する。また、易燃性燃料であるLNG及び支燃性ガスであるO
2を内管ランス及び中管ランスの何れかから吹込むことにより、O
2と共にLNGが先に燃焼することで固体燃料である微粉炭が爆発的に拡散し、同時にLNGの燃焼熱で微粉炭の温度が大幅に上昇し、これにより微粉炭の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上する。
【0025】
次いで、本発明者等は、易燃性燃料であるLNG又はLNG及び支燃性ガスであるO
2の三重管ランス4から吹込む全ガス量に対する割合を種々に変更して燃焼温度の違いを測定した。これは、例えば、前述のように、LNGがO
2と共に先に燃焼し、その燃焼熱で微粉炭の温度が急速に上昇する効果を確認するためである。そこで、下記表1に示すように、CASE7〜11まで、微粉炭のキャリアガスであるN
2の流量を15Nm
3/h一定とし、LNG又はLNG及びO
2の流量を種々に変更して、三重管ランスの先端から距離165mmの燃焼温度及び距離315mmの燃焼温度を測定した。
【0027】
表中にはLNG又はLNG及びO
2の流量(O
2+LNG)及びLNGに対するO
2の比率(O
2/LNG)を示す。即ち、CASE7はO
2もLNGも吹込まない。CASE8はLNGのみ5Nm
3/h吹込む。CASE9はLNGを5Nm
3/h、O
2を10Nm
3/h吹込む。CASE10はLNGを5Nm
3/h、O
2を20Nm
3/h吹込む。CASE11はLNGを10Nm
3/h、O
2を20Nm
3/h吹込む。また、三重管ランスから吹込まれる全ガス量に対するLNG又はLNG及びO
2の割合は、CASE7が0vol%、CASE8が25vol%、CASE9が50vol%、CASE10が62.5vol%、CASE11が66.7vol%である。微粉炭諸元及び送風条件、並びに微粉炭、LNG、O
2の吹込み方は前記
図7の場合と同様である。測定結果を
図9に示す。
【0028】
同図から明らかなように、三重管ランスから吹込まれる全ガス量に対するLNG又はLNG及びO
2の割合が25vol%未満の領域では、全ガス量に対するLNG又はLNG及びO
2の割合が増加するのに伴って燃焼温度が大きく増加していることから、この領域では高い燃焼温度を確保することが困難である。一方、三重管ランスから吹込まれる全ガス量に対するLNG又はLNG及びO
2の割合が25vol%以上の領域では、全ガス量に対するLNG又はLNG及びO
2の割合が増加しても燃焼温度が飽和する傾向にあることから、この領域では高い燃焼温度を確保することができる。従って、本実施形態の高炉操業方法では、三重管ランスから吹込まれる全ガス量に対するLNG又はLNG及びO
2の割合を25vol%以上、好ましくは50vol%以上とした。
【0029】
このように、本実施形態の高炉操業方法では、羽口3から燃料を吹込むためのランス4を三重管とし、その三重管の内管ランス、中管ランス、外管ランスの夫々に、微粉炭(固体燃料)6、LNG(易燃性燃料)9、O
2(支燃性ガス)の一種類ずつを単独で且つ全ての種類、吹込むことにより、例えばO
2(支燃性ガス)と共にLNG(易燃性燃料)9が先に燃焼することで微粉炭(固体燃料)6が爆発的に拡散し、同時にLNG(易燃性燃料)9の燃焼熱で微粉炭(固体燃料)6の温度が大幅に上昇し、これにより微粉炭(固体燃料)6の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上し、もって還元材原単位を低減することができる。
【0030】
また、微粉炭(固体燃料)6及びLNG(易燃性燃料)9の何れかを外管ランスに吹込むことにより、微粉炭(固体燃料)6又はLNG(易燃性燃料)9が高温に晒されやすくなり、燃料の着火性が向上する。
また、LNG(易燃性燃料)9及びO
2(支燃性ガス)を隣接する管ランスから吹込むことにより、O
2(支燃性ガス)とLNG(易燃性燃料)9が先に燃焼することで、微粉炭(固体燃料)6の温度が大幅に上昇し、これにより微粉炭(固体燃料)6の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上する。
【0031】
また、LNG(易燃性燃料)9及びO
2(支燃性ガス)を内管ランス及び中管ランスの何れかから吹込むことにより、O
2(支燃性ガス)と共にLNG(易燃性燃料)9が先に燃焼することで微粉炭(固体燃料)6が爆発的に拡散し、同時にLNG(易燃性燃料)9の燃焼熱で微粉炭(固体燃料)6の温度が大幅に上昇し、これにより微粉炭(固体燃料)6の加熱速度が上昇して燃焼温度が大幅に向上する。
【0032】
また、三重管ランス4から吹込まれる全ガス量に対するLNG(易燃性燃料)9又はLNG(易燃性燃料)9及びO
2(支燃性ガス)の割合を25vol%以上とすることにより、高い燃焼温度を確保することができる。
また、送風に富化する酸素の一部を支燃性ガスとして三重管ランス4の何れかの管ランスから吹込むことにより、高炉内のガスバランスを損なうことがなく、酸素の過剰供給を回避することができる。