特開 2023-128269 高炉吹き込み用ランス及び高炉の操業方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023128269

(43)【公開日】2023-09-14

(54)【発明の名称】高炉吹き込み用ランス及び高炉の操業方法

(51)【国際特許分類】

   C21B 7/00 20060101AFI20230907BHJP

   C21B 5/00 20060101ALI20230907BHJP

【ＦＩ】

C21B7/00 309

C21B5/00 321

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022032506

(22)【出願日】2022-03-03

(71)【出願人】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087398

【弁理士】

【氏名又は名称】水野 勝文

(74)【代理人】

【識別番号】100128783

【弁理士】

【氏名又は名称】井出 真

(74)【代理人】

【識別番号】100128473

【弁理士】

【氏名又は名称】須澤 洋

(72)【発明者】

【氏名】上城 親司

【テーマコード（参考）】

4K012

4K015

【Ｆターム（参考）】

4K012BF04

4K012BF08

4K015AD03

(57)【要約】      （修正有）

【課題】燃焼速度が大きい炭材を高炉に吹き込む高炉の操業方法において、炉体温度の過度な上昇を防止する。
【解決手段】高炉吹き込み用ランス５がブローパイプに挿通された高炉の操業方法において、外管５２から水素系還元ガスを吹き込みながら、燃焼速度が３．０（ｍｇ／ｍｉｎ）以上の炭材を５０質量％以上含む微粉炭を、内管５１からキャリアガスにより吹き込むとともに、水素系還元ガスの流量をＸ１、キャリアガスの流量をＸ２としたとき、Ｘ１／Ｘ２≧０．５なる条件満足するように高炉を操業する。高炉吹き込み用ランスは二重管構造であり、内管の先端開口部が内管の軸方向に垂直な面に対して５５度以上傾斜している。内管と外管の長手方向における離間距離Ｗを、所定範囲に制限する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外管及び内管を有する二重管構造の高炉吹き込み用ランスにおいて、
前記内管の先端開口部が、前記内管の軸方向に垂直な面に対して５５度以上の所定角度θだけ傾斜しており、前記内管の先端開口部における最先端部と前記外管の先端開口部との、該高炉吹き込み用ランスの長手方向における距離をＷとしたとき、距離Ｗは以下の式（１）を満足することを特徴とする高炉吹き込み用ランス。
Ｗ≦tanθ×Ｄ・・・・・・・・・式（１）
ただし、Ｄは前記内管の直径である。

【請求項2】

前記内管の前記最先端部は、前記外管の外側の突き出し位置、前記外管の内側の管路内位置及び前記外管の先端開口部と面一の面一位置のうちいずれかに配設されていることを特徴とする請求項１に記載の高炉吹き込み用ランス。

【請求項3】

前記外管の先端開口部は、前記内管の軸方向に対して垂直であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉吹き込み用ランス。

【請求項4】

請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の高炉吹き込み用ランスがブローパイプに挿通された高炉の操業方法において、
前記外管から水素系還元ガスを吹き込みながら、
燃焼速度が３．０（ｍｇ／ｍｉｎ）以上の炭材を５０質量％以上含む微粉炭を、前記内管からキャリアガスにより吹き込むとともに、
前記水素系還元ガスの流量をＸ１、前記キャリアガスの流量をＸ２としたとき、以下の式（２）に示す吹込み条件を満足させることを特徴とする高炉の操業方法。
Ｘ１／Ｘ２≧０．５・・・・・・・・・式（２）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、微粉炭等を高炉に吹き込むための高炉吹き込み用ランス及び高炉の操業方法に関する。

【背景技術】

【0002】

高炉操業では、炉頂から鉄原料（塊鉱石、焼結鉱、ペレット等）及びコークス（還元材）を交互に層状に装入することにより銑鉄を製造する。高炉操業におけるコスト低減手段として、コークスの装入量を減らすとともに、羽口に設置された高炉吹き込み用ランスから微粉炭を吹き込む方法が知られている。また、高炉の還元材比の低減、二酸化炭素の排出量の削減などを目的として、水素系還元ガスを羽口から吹き込む高炉の操業方法も知られている。

【0003】

ここで、羽口から吹き込まれる微粉炭に揮発分（以下、ＶＭともいう）が多く含まれる場合、送風圧が変動して、高炉の安定操業が阻害される。したがって、高炉に吹き込まれる微粉炭には、ＶＭの低い半無煙炭等（以下、従来炭材ともいう）が利用されている。しかしながら、近年は、資源枯渇によりＶＭの低い炭材を確保することが困難となっている。そこで、バイオマスや褐炭を乾留した改質炭（以下、チャーともいう）を炭材として吹き込む方法が検討されている。しかしながら、バイオマスや褐炭を由来とするチャーは従来炭材よりも炭素結合が弱いため、燃焼しやすい（言い換えると、燃焼速度が大きい）。そのため、吹き込み用の炭材として前述のチャーを用いると、燃焼位置（燃焼焦点）が羽口側にシフトして、炉体温度が過度に上昇するおそれがある。

【0004】

特許文献１には、内管から気体還元材を吹き込み、外管と内管との間に冷却用の空気を流通させるように構成した二重管構造の高炉吹き込み用ランスが開示されているが、上述の課題については検討されていない。
特許文献２には、羽口の摩耗防止を目的として、内管の先端が切り欠き形状である二重管ランスが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６－３１２７５７号公報

【特許文献2】実開昭６２－９７１５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、燃焼速度が大きい炭材を高炉に吹き込む高炉の操業方法において、炉体温度の過度な上昇を防止することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明に係る高炉吹き込み用ランスは、（１）外管及び内管を有する二重管構造の高炉吹き込み用ランスにおいて、前記内管の先端開口部が、前記内管の軸方向に垂直な面に対して５５度以上の所定角度θだけ傾斜しており、前記内管の先端開口部における最先端部と前記外管の先端開口部との、該高炉吹き込み用ランスの長手方向における距離をＷとしたとき、距離Ｗは以下の式（１）を満足することを特徴とする高炉吹き込み用ランス。
Ｗ≦tanθ×Ｄ・・・・・・・・・式（１）
ただし、Ｄは前記内管の直径である。

【0008】

（２）前記内管の前記最先端部は、前記外管の外側の突き出し位置、前記外管の内側の管路内位置及び前記外管の先端開口部と面一の面一位置のうちいずれかに配設されていることを特徴とする上記（１）に記載の高炉吹き込み用ランス。

【0009】

（３）前記外管の先端開口部は、前記内管の軸方向に対して垂直であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の高炉吹き込み用ランス。

【0010】

（４）上記（１）乃至（３）のうちいずれか一つに記載の高炉吹き込み用ランスがブローパイプに挿通された高炉の操業方法において、前記外管から水素系還元ガスを吹き込みながら、燃焼速度が３．０（ｍｇ／ｍｉｎ）以上の炭材を５０質量％以上含む微粉炭を、前記内管からキャリアガスにより吹き込むとともに、前記水素系還元ガスの流量をＸ１、前記キャリアガスの流量をＸ２としたとき、以下の式（２）に示す吹込み条件を満足させることを特徴とする高炉の操業方法。
Ｘ１／Ｘ２≧０．５・・・・・・・・・式（２）

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、燃焼速度が大きい炭材を高炉に吹き込む高炉の操業方法において、水素系還元ガスの吹込量及び高炉吹き込み用ランスの内管の先端傾斜角を調整することにより、炉体温度の過度な上昇を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】高炉の概略図である。

【図2】高炉吹き込み用ランスの先端部を拡大した拡大図である。

【図3】高炉炉下部を模擬した試験装置である。

【図4】先端傾斜角θと炭材粒子個数の増加率との関係を示すグラフである。

【図5】水素系還元ガス流量（Ｘ１）／キャリアガス流量（Ｘ２）と炭材粒子個数の増加率との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態の高炉（ベルレス式高炉）の概略図である。高炉１では、主原料として焼結鉱やペレットや塊鉱石などの鉄原料が用いられ、還元材としてコークス、微粉炭、水素系還元ガスが用いられる。鉄原料とコークスは高炉１の炉頂部から交互に層状に装入される。これにより、高炉１の炉内には、塊状帯、鉄原料が溶解して固体から液体に変わる融着帯、液体になった溶鉄や溶融スラグがコークス層を滴下する滴下帯などが形成される。

【0014】

本実施形態における高炉１は、羽口２と、環状管３と、ブローパイプ４と、高炉吹き込み用ランス５と、出銑口６等を備える。環状管３は高炉１の下部を包囲するように配設されている。ブローパイプ４は環状管３の周方向に間欠的に設けられるとともに、それぞれが異なる羽口２に接続されている。高炉吹き込み用ランス５は、各ブローパイプ４を挿通しており、各ブローパイプ４の内部には、高炉吹き込み用ランス５の先端部が延出している。出銑口６は、炉底にたまった溶銑を排出するために設けられている。上述の構成において、高炉吹き込み用ランス５は、微粉炭及び水素系還元ガスをブローパイプ４の内部に吹き込む。吹き込まれた微粉炭及び水素系還元ガスは、環状管３からブローパイプ４に送風された熱風と共に羽口２から高炉１内に吹き込まれる。

【0015】

熱風は例えば、熱風炉（不図示）で生成される。熱風炉には例えば、内部に珪石レンガを格子状に組んだ蓄熱室を含む円筒状の炉を用いることができる。熱風の温度を検出し、この検出結果に基づき、熱風炉における蓄熱量や空気の供給量を制御することにより、熱風の温度が調整される。以上の高炉１の設備構成は一例であり、本発明は、これらの構成に限定されるものではない。すなわち、本願発明は、例えば、ベル式高炉にも適用することができる。

【0016】

微粉炭は、吹き込む微粉炭の全量を１００質量％としたとき、燃焼速度が大きい炭材を５０質量％以上含む。つまり、本実施形態の高炉の操業方法では、羽口２から燃焼速度が大きい炭材をリッチに含む微粉炭を吹き込むことを操業条件としている。燃焼速度の定義は、以下の通りである。まず、炭材（質量１０ｍｇ）を、赤外線ゴールドイメージ炉（例えば、Thermo plus EV02/TG-DTA8120（株式会社リガク製））を用いて空気流量２００（ｍｌ／ｍｉｎ）で流通させながら９００（℃／ｍｉｎ）の昇温速度にて常温から１０００℃まで昇温し、昇温開始から炭材の質量変化が終了するまでの時間で炭材の質量（１０ｍｇ）を除することによって、燃焼速度（ｍｇ／ｍｉｎ）を求めることができる。なお、炭材の質量変化が終了する終了時点は、炭材質量の経時変化曲線の傾きが直線関係から逸脱した時点とする。

【0017】

また、本明細書において「燃焼速度が大きい炭材」とは、燃焼速度が３．０（ｍｇ／ｍｉｎ）以上の炭材のことである。燃焼速度が３．０（ｍｇ／ｍｉｎ）以上の炭材は、従来炭材と比べて燃焼しやすい。燃焼速度が３．０（ｍｇ／ｍｉｎ）以上の炭材には、バイオマスや褐炭を乾留したチャーを用いることができる。バイオマスには、例えば、農業系（麦わら、サトウキビ、米糠、草木、椰子殻核等）のバイオマス、林業系（製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪炭林等）のバイオマス、畜産系（家畜廃棄物）のバイオマス、水産系（水産加工残滓）のバイオマス、廃棄物系（生ゴミ、ＲＤＦ（ゴミ固形化燃料；Refused Derived Fuel）庭木、建設廃材、下水汚泥）のバイオマスなどを用いることができる。褐炭についても、産地などは特に限定しない。また、チャーとは、炭材を加熱した際に、軟化・溶融状態を得ないで生成する炭素質物質のことである（ＪＩＳ０１０４ 石炭利用技術用語参照）。

【0018】

なお、本実施形態において用いられる微粉炭の粒径は、特に限定するものではないが、例えば、７５μｍ以下に設定することができる。

【0019】

高炉吹き込み用ランス５の構成について、図２を参照しながら、詳細に説明する。図２は、本実施形態の高炉吹き込み用ランスの先端部を拡大した拡大図である。高炉吹き込み用ランス５は、内管５１及び外管５２からなる二重管構造を呈しており、内管５１から微粉炭が吹き込まれ、外管５２（言い換えると、内管５１及び外管５２の間に形成された隙間）から水素系還元ガスが吹き込まれる。微粉炭を吹き込むためのキャリアガスとして、窒素ガスなどの不活性ガスを用いることができる。水素系還元ガスは、少なくとも元素として水素を含む還元ガスであり、天然ガス、ＣＯＧ、ＬＰＧ、メタンガス等の水素含有ガスであってもよいし、水素ガスそのものであってもよい。

【0020】

内管５１の先端面５１Ａは、切り欠き形状に形成されており、内管５１及び外管５２の長手方向軸５ａに垂直な面に対してθ（以下、先端傾斜角θと称する）だけ傾斜している。先端傾斜角θの詳細については、後述する。外管５２の先端面５２Ａは、長手方向軸５ａに対して垂直であり、内管５１のような切り欠き形状にはなっていない。ここで、内管５１の先端面５１Ａにおける最先端部と、外管５２の先端面５２Ａとの、長手方向軸５ａ方向における距離（離間距離）をＷとしたとき、距離Ｗは以下の式（１）を満足する必要がある。
Ｗ≦tanθ×Ｄ・・・・・・・・・式（１）
ただし、Ｄは内管５１の直径である。
図２は、内管５１の最先端部と外管５２の先端面が面一の状態（つまり、距離Ｗ＝０）を図示するが、式（１）の範囲内で内管５１は外管５２から突き出していてもよいし（図２の「突き出し位置」参照）、外管５２の内側に退避していてもよい（図２の「管路内位置」参照）。

【0021】

本発明者は、水素系還元ガスの吹込量に関する条件Ａ、高炉吹き込み用ランス５の構造面に関する条件Ｂ、条件Ｃを同時に満足させることによって、炉体温度の過度な温度上昇を防止できることを発見した。
条件Ａ：外管５２を流れる水素系還元ガスの流量をＸ１、内管５１を流れるキャリアガスの流量をＸ２としたとき、Ｘ１／Ｘ２≧０．５とする。
条件Ｂ：内管５１の先端面５１Ａの先端傾斜角θを５５度以上（９０度未満）に設定する。
条件Ｃ：Ｗ≦tanθ×Ｄ
なお、条件Ｃについては、上述したので説明を繰り返さない。

【0022】

条件Ｃを満足することを前提条件として、条件Ａ及び条件Ｂを同時に満足させることにより、内管５１から吐出された微粉炭が密集して酸素に触れにくくなるため、燃焼焦点を炉内側にシフトさせることができる。これにより、炉体温度の過度な温度上昇を防止することができる。すなわち、先端傾斜角θを５５度以上に設定することにより、内管５１から吐出された微粉炭粒子を一旦は分散させることができる。そして、条件Ａの吹込条件を満足することにより、分散した微粉炭粒子が水素系還元ガスによって包囲され分散できなくなり、逆に密集するため、炉内に吹き込まれるまで密集状態を維持することができる。つまり、一旦分散した微粉炭粒子がリング状に直進する水素系還元ガスに衝突して、リング中心側に跳ね返されるため、微粉炭粒子を密集させることができる。一方、先端傾斜角θが５５度未満に低下すると、内管５１から吐出された微粉炭粒子が分散せずに水素系還元ガスに衝突しにくくなるため、上述の密集効果を十分に発現させることができない。

【0023】

次に、実施例を示しながら本発明について具体的に説明する。
（試験１）
図３に示す高炉炉下部を模擬した試験装置を用いて、微粉炭として用いる炭材や水素系還元ガスの流量を種々変化させながら炉体温度変化率（％）を評価した。なお、炉体温度は、後述する温度センサ１５によって測定した。基準条件一定で実験を行い、温度センサ１５の変化がほとんど見られなくなった時の温度を、基準条件における炉体温度とした。次に、条件を変更して温度センサ１５の測定値が変化しなくなるまで実験を継続し、変化しなくなったときの温度を測定した。両者の温度差を基準条件における炉体温度で除して、変化後の条件における炉体温度変化率とした。条件を変更して安定するまでに要する時間は、約３時間であった。図３の試験炉１０において、１２は羽口であり、１３は羽口１２に熱風を供給するブローパイプであり、１４は二重管構造の試験炉用ランス（以下、試験炉用二重管ランス１４という）であり、１５は温度センサである。なお、試験炉用二重管ランス１４の本数は１本である。

【0024】

試験炉１０は長さ１．２ｍ、幅１．２ｍ、高さ２．４ｍの竪型直方体とし、炉壁は鉄皮の内側に耐火レンガを張り付けた二層構造とした。温度センサ１５には熱電対を使用し、この熱電対を羽口１２の中心軸から６００ｍｍ上方の炉体レンガと鉄皮との間に配置した。

【0025】

試験炉１０には、粒径が９～１３ｍｍのコークスを充填した。熱風の送風温度を１２００℃に設定し、送風量を０．８（ｍ^３／ｍｉｎ）に設定した。微粉炭の吹き込み量は、典型的な実炉の吹込条件：２００（kg／pig-ton）に一致させた。
なお、実高炉で用いられる微粉炭粒子（７５μｍ以下）を使用した。

【0026】

表１に、本試験において微粉炭として使用した炭材の種類及び性状を示す。チャー１は褐炭を乾留して得られたチャーであり、チャー２はバイオマス（木材）を乾留して得られたチャーである。Ａｓｈは灰分であり、ＦＣは固定炭素である。ＶＭについては、上述したので説明を繰り返さない。

【表1】

【0027】

表２に、試験炉用二重管ランス１４から吹き込まれる各炭材の吹込割合、先端傾斜角θ、水素系還元ガス及びキャリアガスの流量比（Ｘ１／Ｘ２）、炉体温度変化率、評価結果を示す。なお、各炭材の吹込割合は、各比較例及び実施例で吹き込まれる微粉炭の全量を１００質量％としたときの質量分率で示した。各実施例及び比較例における炉体温度変化率は、参考例における炉体温度の上昇率を１００％として算出した。炉体温度変化率が１００％以下である場合には評価を「○」とし、炉体温度変化率が１００％超である場合には評価を「×」とした。水素系還元ガスとして、コークス炉ガスの成分を模擬した水素を含む気体還元材（質量％で、Ｈ_２：約５９%、ＣＨ_３：約２９%、ＣＯ：約６%、Ｎ_２：約６%）を使用した。

【表2】

先端傾斜角θが０度に統一された参考例、比較例１及び比較例２を比較参照して、燃焼速度が３．０（ｍｇ／ｍｉｎ）未満の半無煙炭Ａの含有割合を１００質量％から５０質量％に減らして、燃焼速度が３．０（ｍｇ／ｍｉｎ）以上のチャー１又はチャー２に振り替えることにより、炉体温度変化率（％）が高くなった。燃焼速度が３．０（ｍｇ／ｍｉｎ）以上の炭材が含まれることによって、燃焼焦点が羽口近傍となり、炉体温度変化率（％）が増大したと考えられる。

【0028】

実施例１乃至４は、炉体温度変化率が参考例と同程度（１００％）となり、評価が「○」となった。条件Ａ及びＢを満足させることにより、微粉炭を密集させる効果が発現して、燃焼焦点が炉内側にシフトしたものと推察される。また、実施例１,２と実施例５,６を比較して、Ｘ１／Ｘ２を１．０から０．５に下げても、炉体温度変化率（％）が参考例に対してほぼ同程度に維持されることがわかった。実施例５,６と比較例３,４を比較して、、Ｘ１／Ｘ２を０．５から０．４に低下させることにより、炉体温度変化率（％）が参考例に対して大幅に増大することがわかった。Ｘ１／Ｘ２が０．４に低下することにより、微粉炭の密集状態を維持する効果が低下して、燃焼焦点が羽口側にシフトしたものと推察される。

【0029】

（試験２）
先端傾斜角θを５５度以上に設定することによって、炉体温度変化率が改善する理由を調べるために、先端傾斜角θを種々変更して、炭材粒子の密集度合いの増加率を求めた。炭材粒子の密集度合いの増加率は、所定領域内に存する炭材粒子個数の増加率（％）によって評価した。具体的には、汎用流体解析ソフト（ＦＬＵＥＮＴ）を用いて高炉吹き込み用ランスからブローパイプ内に吹き込まれる粒子の運動状態を計算し、高炉吹き込み用ランスの先端から炉内方向に１００ｍｍの位置における、ブローパイプ内の炭材粒子のスナップショットを出力した。出力したスナップショットの結果から、ブローパイプ断面の中心点を中心とする円形領域（ブローパイプの断面積の６．２５％に相当する領域）内の炭材粒子個数を集計した。炭材粒子には、実高炉に吹き込まれる微粉炭粒子（粒径：７５μｍ以下）を使用した。なお、水素系還元ガス及びキャリアガスの流量比（Ｘ１／Ｘ２）は、１．２とした。

【0030】

この集計結果に基づいて、先端傾斜角θが０度のときの該円形領域内の炭材粒子個数を１００％として、炭材粒子個数の増加率（％）を算出した。図４は、算出結果を纏めたグラフである。同図を参照して、先端傾斜角θが大きくなるほど、炭材粒子個数の増加率（すなわち、炭材粒子の密集度合いの増加率）が上昇した。特に、先端傾斜角θを５５度以上に設定した場合、炭材粒子の密集度合いの増加率が大幅に上昇した。すなわち、先端傾斜角θを５５度以上に設定することにより、高炉吹き込み用ランスから吐出された微粉炭が十分に密集することがわかった。

【0031】

（試験３）
水素系還元ガスの吹込量が炭材の分散に与える影響を評価するために、水素系還元ガスの流量を変更して、炭材粒子の密集度合いの増加率を調べた。炭材粒子の密集度合いについては、試験２と同じ方法で算出した。先端傾斜角θは、５５度に統一した。図５のグラフは試験結果であり、水素系還元ガスの流量は実施形態で説明したＸ１／Ｘ２（水素系還元ガスの流量／微粉炭のキャリアガスの流量）で表している。

【0032】

同図に示すように、Ｘ１／Ｘ２が０．５に達すると、炭材粒子の密集度合いの増加率が急激に増大することがわかった。

【0033】

また、Ｘ１／Ｘ２＝０．５の吹込条件にて、内管の先端面（以下、切断面という）の向きを「上」、「右」、「下」、「左」で変化させて炭材粒子の密集度合いの増加率を調べたところ、それぞれ「１３．１％」、「１３．５％」、「１３．３％」、「１２．９％」であった。切断面の向きによって、炭材粒子の密集度合いの増加率は殆ど変わらないことを確認した。なお、切断面の向きは、羽口を炉内側から視たときに切断面の切り口が向く方向を、時計回り方向に順に「上」、「右」、「下」、「左」と定義した。

【符号の説明】

【0034】

１：高炉 ２：羽口 ３：環状管 ４：ブローパイプ ５：高炉吹き込み用ランス ６：出銑口
５１：内管 ５２：外管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】