WO2016031653A1 - 酸素高炉への微粉炭吹き込み方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素高炉へ吹き込む微粉炭として好ましい性状のものを用いることで、合成化学工業用ガスとして有用な窒素レス高炉ガスを効率よく発生させる有効な方法を提案する。 【解決手段】羽口から純酸素とともに微粉炭を吹き込むことで窒素を含まない高炉ガスを発生させて炉頂から回収する酸素高炉への微粉炭吹き込む操業を行うに当たり、前記微粉炭の揮発分を２５ｍａｓｓ％以上とする。

Description

酸素高炉への微粉炭吹き込み方法

　本発明は、羽口から純酸素および微粉炭を吹き込むことにより、炉頂から窒素を含まない高炉ガスを発生させる酸素高炉への微粉炭吹き込み方法に関する。

　酸素高炉は、一般に、羽口から純酸素および還元材である微粉炭を吹き込むことにより、炉頂から窒素を含まない高炉ガス（以下単に「窒素レス高炉ガス」ともいう）を発生させて回収する高炉として知られている。その窒素レス高炉ガスは、合成化学工業用の原料として利用することができる。この酸素高炉操業は、羽口先の燃焼領域の温度（羽口先温度）を２０００℃～２６００℃という高温で操業する必要がある。そのための従来技術として、例えば、特許文献１では、羽口からＣＯ_２を含む高温の炉頂ガスを吹き込むことにより、羽口先の温度を所定の温度範囲に制御する方法を提案している。

　また、酸素高炉の従来操業例としては、羽口から純酸素、微粉炭および重質油を吹き込む方法もある（特許文献２参照）。さらに、酸素高炉の他の従来操業例としては、羽口から純酸素および微粉炭を吹き込む際に、微粉炭の燃焼性を改善したものを用いる提案がある（特許文献３参照）。さらに、特許文献４では、純酸素を予熱しておくことにより、該微粉炭の吹き込み量を増やす操業方法を提案している（特許文献４参照）。

特開昭６０－１５９１０４号公報 特開昭６３－１７１８０７号公報 特開昭６３－１６６９１４号公報 特開昭６３－１６９３１０号公報

　上掲の特許文献１～３に記載の従来技術においては、吹き込み純酸素および微粉炭はそれぞれ常温のものが使用されている。しかし、これらの従来技術では、羽口先燃焼領域の温度（羽口先温度）を２０００℃～２６００℃の高温にするために、吹き込む微粉炭の着火を速くすることで燃焼性を向上させることとしている。ただし、微粉炭の早期着火を実現するためには、該微粉炭を一定以上の温度に昇温する必要がある。これに対し、その要求を満たす方法として、例えば特許文献４においては、純酸素で予熱する方法を提案している。

　しかしながら、純酸素にて予熱するためには、純酸素の予熱設備が別途必要である。また、特許文献４に開示の技術について、予熱設備の熱源として排熱を利用することとしているが、実際の高炉ではそうした吹き込み設備付近でそのような排熱を調達することは困難がある。

　本発明の目的は、酸素高炉へ吹き込む微粉炭として好ましい性状のものを用いることで、合成化学工業用ガスとして有用な窒素レス高炉ガスを効率よく発生させる有効な方法を提案することにある。

　発明者らは、従来技術の抱えている前述の課題を克服でき、かつ前記目的を実現すべく鋭意検討した。この結果、発明者らは、下記の要旨構成に係る本発明を開発するに到った。即ち、本発明は、羽口から純酸素とともに微粉炭を吹き込むことで窒素を含まない高炉ガスを発生させて炉頂から回収する酸素高炉上の微粉炭吹き込み操業を行うに当たり、前記微粉炭の揮発分を２５ｍａｓｓ％以上とする酸素高炉への微粉炭吹き込み方法である。

　また、上記の構成に係る本発明は、さらに、
（１）羽口から吹き込む前記純酸素および前記微粉炭は常温のものを用いること、
（２）前記微粉炭の揮発分が３０ｍａｓｓ％以下であること、
（３）前記微粉炭の吹き込み量（ＰＣＲ）が溶銑１ｔ当たりで２００ｋｇ以上であること、
を採用することが、より好ましい解決手段を提供できるものと考えられる。

　本発明に係る酸素高炉への微粉炭吹き込み方法によれば、微粉炭として、揮発分が２５ｍａｓｓ％以上である高揮発分微粉炭を用いることで、予熱装置やその熱源無しに微粉炭吹き込み量を増やすことができるようになる。しかも、本発明によれば、羽口から吹き込む微粉炭として好ましい性状のものを用いることで、酸素高炉の羽口前燃焼域の温度を容易にかつ速やかに高温にすることができるから、炉頂から窒素レス高炉ガスを効率よく発生させて回収することができるようになり、ひいては合成化学工業用ガスを安定供給することにつながる。

本発明の微粉炭吹き込み方法が適用される酸素高炉の一例を示す略線図である。 酸素高炉へ純酸素及び微粉炭吹き込み条件下での、微粉炭の燃焼率を計測するための微粉炭燃焼試験炉の一例を示す略線図である。 実験結果の一例を示すグラフである。 実験結果の他の例を示すグラフである。

　図１は、本発明に係る微粉炭吹き込み方法に用いられる酸素高炉およびその周辺設備の一例を示す図である。この図に示す構成において、１は酸素高炉、２はコークス炉ガス（Ｃガス）と高炉ガス（Ｂガス）とを混合して混合ガス（Ｍガス）を得るための混合器、３は上記Ｍガスを予熱して炉内に吹き込むためのバーナー、４は高炉炉頂排ガスを用いて発電する発電機、５は純酸素を製造する酸素プラント、６は酸素高炉１内に酸素などを吹き込むために使用する羽口である。

　図１に示す構成においては、従来高炉と同じように、酸素高炉１では炉頂部から焼結鉱やコークスが投入される。また、下部の羽口６からは炉内へ常温の純酸素が吹き込まれる。純酸素は酸素プラント５にて深冷分離等の分離技術を用いて空気から製造されるが、その際に電力を消費する。そこで、ＣＯを多く含んだ燃焼ガスであるＣガス、Ｂガス、あるいはこれらを混合したＭガスを用いて発電機４で発電し、その電力で純酸素を製造する方法を用いる。また、高炉下部の羽口６からは、純酸素とともに、微粉炭や天然ガス、コークス炉ガスなどの羽口吹き込みガスも吹き込まれる。

　本発明に係る酸素高炉への微粉炭吹き込み方法の特徴の一つは、羽口から純酸素とともに吹き込む微粉炭の揮発分を２５ｍａｓｓ％以上とすることにある。その理由は以下の通りである。

　従来型高炉の場合、吹き込み還元材として微粉炭が用いられているが、その揮発分は、約２０ｍａｓｓ％程度のものである。このレベルの揮発分というのは、いわゆる低揮発分炭に分類される（例えば、特開２００３－２８６５１１号公報参照）。さて、このような低揮発分の微粉炭では重量の多くを石炭が占めるため、同じ吹き込み量でも２５ｍａｓｓ％以上の高揮発分炭よりも多くのコークスを削減することができると考えられている。

　ところで、酸素高炉は一般に、酸素を予熱する設備や熱源がないのが普通である。そのため、吹き込み酸素と微粉炭は常温のものが用いられる。従って、この炉の場合、コークスが旋回しながら燃焼しているレースウェイ（羽口先燃焼帯のこと、温度は２０００℃以上の高温に維持され、その直径は１ｍ程度である）を通過する微粉炭は、２００ｍ／ｓの速度で吹き込まれるとすると、このレースウェイを通過する時間は数ミリ秒となる。従って吹き込み微粉炭は、レースウェイに突入する前のできるだけ早い時期に着火させておくことが好ましい。

　この点、従来の酸素高炉の場合、低揮発分の微粉炭を吹き込んでいるため、微粉炭が前記レースウェイに到達するまでには十分に昇温されない。そのため、早期の着火と燃焼を導くには、どうしても特許文献４に記載されているような酸素の予熱装置が必要である。一方、本発明のように、揮発分の多い高揮発分の微粉炭を吹き込むと、低揮発分の微粉炭に比べて格段に着火しやすくなる。特に、吹き込み酸素の予熱は行わない本発明の如き酸素高炉では、高揮発分微粉炭、即ち揮発分が２５ｍａｓｓ％以上の微粉炭を吹き込むことが望まれる。その揮発分の上限は特に限定しないが、好ましくは３０ｍａｓｓ％程度以下である。

　本発明において、揮発分を２５ｍａｓｓ％以上に限定した理由は、後述する実施例からわかるように、微粉炭の早期の着火－燃焼が達成でき、高い置換率を得ることができるためである。また、揮発分を３０ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい理由は、後述する実施例からわかるように、それを超えると置換率が従来型高炉の例に比べるとなお高いレベルにあるが、若干悪化傾向を示すためである。

　本発明において、前記高揮発分微粉炭は、例えば、北米産の比較的低揮発分の微粉炭とオーストラリア産やアメリカ産等の比較的高揮発分の微粉炭とを所定量混合して、揮発分が２５ｍａｓｓ％以上、好ましくは３０ｍａｓｓ％以下程度に調製したものを用いる。

　図２は、酸素高炉への純酸素及び微粉炭吹き込み条件下での、微粉炭の燃焼率を計測する微粉炭燃焼試験炉の一例を示す図である。この微粉炭燃焼試験炉１１は、高さ１４００ｍｍ×長さ１０００ｍｍ×幅４００ｍｍである。また、この微粉炭燃焼試験炉１１の上部には、管路１２を介してサイクロン１３が設けられており、炉内で発生した燃焼ガスをサイクロン１３にて排ガスとダストとに分別する。この試験炉１１の上部には、管路１４を有し、この管路１４にはコークス貯留槽１５と接続されており、コークス貯留槽１５に貯留したコークス１６を試験炉１１内に装填できるようになっている。また、試験炉１１は、その側面に、温度、圧力、ガス組成等を測定するための測定プローブ１７が挿入可能に設けられ、この測定プローブ１７とほぼ対向する炉側部には羽口１８が設けられ、さらに、羽口１８にはブローパイプ１９が設けられている。このブローパイプ１９には、純酸素を吹き込む純酸素吹き込みランス２０および微粉炭を吹き込む微粉炭吹き込みランス２１、観察孔２２などが設けられている。なお、２３は羽口１８の前方の燃焼帯であるレースウェイを示している。

　前記微粉炭燃焼試験炉１１を用い、酸素高炉の吹き込み条件を模した微粉炭の燃焼率を計測した。酸素高炉を再現したこの燃焼試験装置では、高温のため、微粉炭の直接採取による燃焼率の測定は困難であるため、（コークス消費量／微粉炭吹き込み量）を置換率と定義し、微粉炭の燃焼率を間接的に測定した。微粉炭燃焼率が下がると、残酸素が増えてコークス消費量が増えるため、置換率は低下することとなる。

　ここで、吹き込みガスの温度は、従来高炉に係る条件では、従来と同じ１０００℃、本発明に係る酸素高炉条件では常温とし、微粉炭の吹き込み量（ＰＣＲ）は、従来に係る高炉条件および本発明に係る酸素高炉条件とも溶銑１ｔ当たりで１５０ｋｇに相当する量とした。そして、従来例に係る高炉条件では微粉炭吹き込みガス中の酸素濃度を２５％とし、本発明に係る酸素高炉条件では微粉炭吹き込みガスを１００％酸素ガスとした。

　図３に実験結果を示す。この図に示す結果から、従来型の通常高炉の例では、揮発分１５ｍａｓｓ％以上では揮発分が増加すればするほど置換率が低下している。これは、揮発分が増加した分、微粉炭中の炭素量が相対的に減少するためである。微粉炭は、等重量のコークスに比べて安価であるが、このように置換率が低いとコスト的なメリットも低い上、コークス比と微粉炭比の合計である還元材比を上昇させ、最終的にはＣＯ_２の排出量を増加させるため、あまり好まれない。

　一方、本発明に係る酸素高炉条件下では、揮発分が１５ｍａｓｓ％以上で置換率は次第に上昇し、２５ｍａｓｓ％以上で従来型高炉操業例の置換率を上回ることがわかる。また、揮発分が２５～３０ｍａｓｓ％ではほぼ一定の良好な置換率を示すが、３０ｍａｓｓ％を超えると、従来例の置換率よりは良好だが若干置換率が低下することがわかる。その理由は、高炉では、微粉炭は本来、純酸素中では燃焼しやすいはずであるが、低揮発分の微粉炭は常温だと着火が遅れて置換率が低くなったからと考えられる。一方、本発明のように揮発分の高いものでは、たとえ常温でこれを用いても揮発分が着火源となるために、早期に着火するため置換率が上昇したからと考えられる。

　さらに、従来に係る高炉条件および本発明に係る酸素高炉条件が共に、微粉炭の吹き込み量（ＰＣＲ）が溶銑１ｔ当たりで２００ｋｇに相当する量とした場合の実験結果を図４に示す。図３に示した溶銑１ｔ当たりで１５０ｋｇに相当する実験と比較すると、従来例が５～３％低下するのに対し、本発明では最大でも２％程度の低下にとどまっていることが分かる。これは、従来法では微粉炭の燃焼に必要な酸素量が相対的に低下して着火性が悪くなるのに対し、本発明では着火が揮発分量によって決まるため、置換率の低下が抑制されたと考えられる。

　このように、発明者らが行った酸素高炉の試験炉を用いた実験では、吹き込み微粉炭としては、より揮発分の高い微粉炭、特に揮発分が２５ｍａｓｓ％以上の微粉炭を用いることが好ましいことが確認できた。

　以上説明した本発明に従う微粉炭吹き込み方法は、微粉炭として、揮発分が２５ｍａｓｓ％以上である高揮発分微粉炭を用いる酸素高炉だけでなく、合成化学工業用ガスとして有用な窒素レス高炉ガスの発生を促す技術が必要な種々の用途にも応用することが可能である。

　１　酸素高炉
　２　混合器
　３　バーナー
　４　発電機
　５　酸素プラント
　６　羽口
　１１　微粉炭燃焼試験炉
　１２、１４　管路
　１３　サイクロン
　１５　コークス貯留槽
　１６　コークス
　１７　測定プローブ
　１８　羽口
　１９　ブローパイプ
　２０　純酸素吹き込みランス
　２１　微粉炭吹き込みランス
　２２　観察孔
　２３　レースウェイ

Claims (4)

1. 　羽口から純酸素とともに微粉炭を吹き込むことで窒素を含まない高炉ガスを発生させて炉頂から回収する酸素高炉への微粉炭吹き込み操業を行うに当たり、前記微粉炭の揮発分を２５ｍａｓｓ％以上とすることを特徴とする酸素高炉への微粉炭吹き込み方法。
2. 　羽口から吹き込む前記純酸素および前記微粉炭は常温のものを用いることを特徴とする請求項１に記載の酸素高炉への微粉炭吹き込み方法。
3. 　前記微粉炭の揮発分が３０ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素高炉への微粉炭吹き込み方法。
4. 　前記微粉炭の吹き込み量（ＰＣＲ）が溶銑１ｔ当たりで２００ｋｇ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の微粉炭吹き込み方法。

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