論
文
UDC 669. 162. 267: 669. 046. 464: 669.1 62. 25
炉頂 ガ ス循環 法 に よ る高 炉へ の還元 ガ ス吹込 みの効 果 と
炉 内分布 につい ての考 察*
西
尾
浩
明**・ 宮
下
恒
雄**
On the Top Gas Recycled Reforming Process and the Injected
Gas Distribution
Hiroaki Nismo and Tsuneo
MIYASHITA
Synopsis:
Penetration
of the gas injected into blast furnace stack and its influence
on iron are reduction was inves
tigated by two and three dimentional
cold model experiments
and the theoretical
consideration
to predict
it for the commercial
furnace. Gas compositions
and the coke replacement
ratio were also investigated
experimentally
and theoretically
when top recycled
reforming
process—NKG
Process—was
adopted. Very
low nitrogen content in the injected gas will be possible
if newly proposed
method can be applied for the
above process.
(1) Gas penetration into furnace was mainly governed
those three factors such as the injected gas ratio
to the total gas passing
through furnace U/(U+V), the radial eddy diffusion
of the gas, and the radial
distri-bution of burden.
(2) Compositions
of the top recycled
material gas and injected
gas can be calculated
by fixing U/(U+V)
and C/H ratio of reformed hydro carbon.
(3) The top recycled
material gas and the injected gas containing
very low hydrogen can be obtained
by taking out of the top gas periphery
of the furnace throat.
(4) The more amount of reducing gas is injected,
the larger coke replacement
ratio is predicted by the
mathematical model calculation. When more than 400 Nm3/tHM of reducing gas is injected,
23 kg/100
Nm3 of the coke replacement
ratio is expected
by taking out of top gas periphery
comparing
with 17 kg/100
Nm3 by the conventional
method.
(Received
Feb. 10, 1973)
1. 緒 言 高 炉 シ ャフ ト下 部 へ の還 元 ガ ス吹 き込み は,大 幅 な コ ー クス比 低 減 を可 能 にす る 方 法 と して,ポ ンペ イ 社1), ア メ リカ 鉱 山局2),ア ゾ フ ス タ リ製鉄 所3),日 本 鋼 管 技 研4),新 日鉄 広 畑5),CRM6),Cockerill Co.7)な ど で, 操 業 実 験 が 行 な わ れ て い る.還 元 ガ ス 吹 き込 み 操業 の ね らい は,酸 化 鉄 の 直 接 還元 を系 外 で 製 造 した ガス に よる 還 元 に 置換 え る こ とで,熱 収支 のみ か らす れ ば,約200 kg/tHMの コ ー クス 比 の達 成 も可 能 と推 定8)さ れ る. す で に報 告4)した 日本 鋼 管 技研 やCRM6)の 実 験 で は, 大 幅 な コ ー クス 比 低 下 を立 証 してい る.実 際 高 炉 にお け る試 験1)3)5)7)も行 な われ て い るが,新 日鉄 で約100Nm3/ tHMの 吹 き込 み で 置換 率0.9∼1.05)を 得 た と して い る が,大 型 高 炉 で 多 量 の 還元 ガ ス を吹 き込 む場 合 の 効 果 に つ い て の正 当な 評 価 は い まだ 明 らか に され て い ない.こ の 操 業 技術 の最 も重 要 な点 は,還 元 ガ ス の高 炉 内で の 分 布 の コー クス比 低 下 に及 ぼす 効 果 と,経 済 的 に還 元 ガス を製 造 す る 技術 の 確立 に あ る.従 来 の 実験 で は,酸 素 に よ る重 油 の 部 分酸 化1)4)5),天然 ガ スの 部 分 酸化2)6),天 然 ガ スの 水 蒸 気 改質3)7)を 還元 ガ ス製 造 法 と して 採 用 して い る.わ が 国の エ ネル ギ ー事 情 の 将来 を考 え る と上 記 の いず れ の 方 法 も経 済 性 は 考 え られ な い. 日本 鋼 管 で は,資 源 や 還元 ガ ス価 格 の面 か ら,炉 頂 ガ ス を主 原 料 と し,そ の 中 のCO2とH20に よ り,炭 化 水 素 ガ ス を変 成 す る こ とが わ が 国 の条 件 に最 も適 した 方 法 と考 えた.類 似 の方 法 は,ARMCO法9),Purofer法10) *昭 和47年10月 本 会 講 演 大 会 に て発 表 昭和48年2月10日 受 付 **日 本 鋼 管(株)技 術 研 究所 ―22―炉 頂 ガス 循 環 法 に よ る高 炉 への 還 元 ガ ス吹 込 み の効 果 と炉 内 分布 に つ い て の考 察 1507 な どの直 接 製鉄 プ ロセ ス にみ られ るが,こ れ ら との根 本 的 な 相 違 は,高 炉 で の還 元 ガ ス吹 き込み で は,普 通 の方 法 で 炉 頂 ガ ス を循 環 す る と送 風 中 のN2が 不 可 避 的 に循 環 ガ ス中 に 入 り,吹 き込 み ガ ス の 還元 能 力 を低 下 す る こ とで あ る. コール ドモ デ ルや 理 論 に よ り,還 元 ガス の炉 内へ の 浸 透 に つ い て調 べ,実 際 高 炉 の 場 合 に,鉱 石 の分 布 条 件 と 関 連 させ て,還 元 に及 ぼす 効 果 とコ ー クス 比低 下 量 を 算 定 し,実 際 高 炉 で の還 元 ガ ス 吹 き込 み 効 果 を推 定 した. 同時 に,炉 頂 周 辺 ガ ス 流 を 取 出 す とい うア イデ ア11)によ りN2%の 低 い原 料 ガ ス を 用 い,循 環方 式 で 還元 ガ ス を 製 造 す る方 法 につ い て 実 験 的 に,ま た理 論 的 に 効 果 を調 べ た. 2. 高 炉 へ の 還 元 ガ ス 吹 き込 み 時 に お け る 還 元 ガ ス の 浸 透 著 者 らは,試 験 高 炉 に よ る 還 元 ガス 吹 き込み 実 験時 に,自 動 ゾ ンデ に よ り,炉 内半 径 方 向 の ガ ス分 布 を測 定 し,吹 き込 み ガ ス(Injected Reducing Gas-以 下IRG とい う)の 炉 内 へ の 浸 透 は,吹 き込 み 量 が 支 配 的 因子 に な る こと を認 め た.八 塚 ら5)は,ガ ラス球 を充 填 した 容器 の 底 か ら水 を 流 し,側 壁 か ら着 色 水 を吹 き込み,同 様 の結 論 を得 る一 方,空 気-CO2の モ デル 実 験 な どに よ り,炉 内のIRGの 混 合 拡 散 に つ い て 考 察 して い る. JESCHARら12)はIRGの 浸 透 に つ い て考 察 を して,混 合 拡 散 が 十分 起 こ らな い こ とを理 由 に,吹 き込 み ガ ス の効 果 に 否 定的 な 見解 を述 べ てい る. こ こで は,2次 元 コー ル ドモ デ ル に よ り,IRGの 浸透 に 及 ぼ す 総 流量,吹 き込 み 流 速,IRG流 量,混 合 拡散 の 影 響 に つ い て検 討 し,つ ぎに8本 のIRG吹 き込 み 口 を取 り付 け た3次 元 コー ル ドモ デ ルで,IRGの3次 元 的 な浸 透 に 及 ぼ すIRG流 量 の 影 響,隣 接す る吹 き込 み 口間のIRGの 干 渉 に つ い て考 察 した.さ らに理 論 的 計 算 に よ り2次 元 モ デ ル の実 験 結 果 を シ ュ ミ レー トし,理 論 の 妥当 性 を 確 か め た の ち,実 際 高 炉 で のIRGの 浸 透 に つ いて 理 論 的 に 推 定 した. 2.1 2次 元 コー ル ドモ デ ル に よ る実 験 と考 察 2.1.1 実 験 装 置 実 験 装 置 は,川 崎2高 炉(内 容 積1148m3)の1/10, 内厚40mm,内 部 に12mmφ の ガ ラス球 を 充 填 した ア ク リル樹 脂 製 で,炉 床,炉 腹 中 央 にそ れ ぞ れ2本 ず つ の取 り替 え可 能 な 送 風 羽 口,IRG吹 き込 み 口を 有 す る (Fig.1).表 面 には7段 に わ た つ て約80個 の サ ンプ リ ン グ孔 を有 す る.送 風 羽 口か らN2,IRG吹 き込 み 口か ら空気 を 吹 き込 み,サ ン プ リン グ孔 で採 取 した ガス を ガ
Fig. 1. Experimental apparatus (two dimensional
model) .
ス ク ロにて 分 析 してO2の 濃 度分 布 に よ り,IRGの 濃 度 分 布 を求 め た. 充 填層 内の 流体 流 れ に つ い ては,半 経 験 的 に(1)式 が 適 用 で き る13).(1)
一 方ERGUNの 式14)は,(2)
この うち 右 辺第1項 は,Re>800で6%以 下 とな り, 通 常 の高 炉 操業 で は無 視 して も よい.(1)式 の係 数 は方 向 性 を持 つ て い な いか ら,(1)と(2)式 を比 較 す る と, 定 常状 態 で は(3)式 の よ うに係 数 を きめ られ る.(3)
IRG吹 き込 み 流 速uo,代 表長 さLcと して無 次 元 化 す る と,(4)
こ こで 無 次元 項vは(5)式 にて 定 義 さ れ る.(5)
無 次元 項vは,ガ ス の分 子 量M,IRGの 吹 き込 み 流 速 ―23―uo,空 隙 率 ε,ガ ス温 度T,粒 子 の表 面 係 数 φ,粒 子 径E)pを 含 ん だ もの で,実 験 時 の無 次 元 項 の 値 が実 際 高 炉 の そ れ と等 し くな る よ うに実 験 条 件 を選 ぶ こ とに よつ て 流 体 の 運 動 を 相 似 さ せ る こ とが で き る.IRG吹 き込 み 口付 近 に つ い て2次 元 モ デ ル(Fig.3の 条 件)と 実 際 高 炉 の レを比 較 す る と,2次 元 モ デル で は(6)式,実 際 高 炉 で は(7)式 の よ うに な る。
(6)
(7)
両 者 の値 は 等 しくで き るが,等 温,非 等 温 の相 違 の ほか, 2次 元 と3次 元 とい う 根 本 的 な差 が あ る.Table 1か ら,2次 元 モ デル の 炉 口部 のRe数 を実 際高 炉 の 値 に あ わせ る と,炉 腹 部 で は2次 元 モ デル の.Re数 が 過 大 となTable 1. Reynolds number of two dimensional model and commercial blast furnace.
Fig. 2. Influence of total flow rate on IRG distribution. る,し か し,後 述 す るが,Re数 を あ る程 度 以 上 大 き く とれ ば,こ の相 違 が 誤 つ た結 論 に導 く こ とは な い. 2.1.2 IRGの 炉 内へ の 浸透 に及 ぼす 各 種 要 因 の 影 響 IRGの 流 量 をU,羽 口先 コ ー クス の 燃 焼 と直 接 還 元 に よ り発 生 す るガ ス量 をVと す る.U/(U+V)=0.26 と して,総 流 量(U+V)の2水 準(Fig.2)に 対 し総 流 量 の 浸 透 に 及 ぼす 影 響 を,ξ で 示 す無 次元 高 さ(0.14 は吹 き込 み 口近 く,0.91は 装 入 線 近 く)の 違 つ た位 置 で 調 べ,こ の 範 囲 内 で は総 流 量 を 変 え て も,IRGの 炉 内分 布 には 影 響 しな い こ とを確 か め,以 下 すべ てU+V=2.00 Nm3/hrで 実験 した. U/(U+V)=0.46∼0.50と してIRG吹 き込 み 口径 を3水 準 変 え て,吹 き込 み 口近 くのIRG分 布 に及 ぼ す 吹 き込 み ガ ス流 速 の 影 響 を調 べ,吹 き込 み 流 速 が 炉 内 IRG分 布 にほ とん ど影響 しな い こ とを確 か め た(Fig.3). 本 実 験 は,(6),(7)式 で,吹 き込 み 口近 傍 で2次 元 モ デル と 実際 高 炉 のvの 値 が ほ ぼ等 しくな る よ うに 選 ん だ.し か し実 際 高 炉 で は,3次 元 で あ るか ら 「す ぼ ま り 効 果」 に よ つて,浸 透 す る に したが い,吹 き込 み ガ スが 互 い に ぶ つ か り合 い,見 か け上,2次 元 モデ ル で 吹 き込 み 流 速 を さ らに大 き く した と きの 挙 動 に 近 くな る と思 う が,実 験 範 囲で は,流 速 を 大 に して も挙 動 に 変化 が な く, IRGの 浸透 が 吹 き込 み 口近 傍 で 完 了 す る とい う結 論 は 試 験高 炉 で の測 定15)結果 か らみ て も,実 際 高炉 に もあ て
Fig. 3. Influence of injection velosity on IRG
penetration.
炉 頂 ガス 循 環 法 に よ る高 炉 へ の還 元 ガ ス吹 込 み の効 果 と炉 内 分 布 につ い て の 考察 1509
Fig. 4. Influence of U/(U+V)
on IRG
pene-tration.
は ま る と推 論 で き よ う. U/(U+V)の 値 を0.13か ら0.80ま で5水 準 と り, 吹 き込 み 口近 傍 のIRG分 布 に及 ぼす 影 響 をFig.4に 示 す.U/(U+V)の 値 が 大 に な るに 従 い,IRGは 炉 内 深 く浸 透 す る.IRG分 布 を示 す 曲線 の 右 の領 域 の全 体 に 対 して 占 め る 割 合 は,ほ ぼそ れ ぞ れ 対 応 す るU/(U+V) の 値 に等 し く,吹 き込み ガ ス量 の 全 炉 内 通過 ガ ス量 に対 す る比U/(U+V)がIRGの 浸 透 の 支 配的 要 因 と考 え られ る.こ れ は実 験 高 炉 の 結 果4)15)と一 致 す る. Fig.5に は,5水 準 のIRG吹 き込 み量 を と り,吹 き 込 み 口近傍 と装 入 線 近 傍 で の 濃 度 分 布 を測 定 した もの を 示 す.両 者 の 差 は後 で 理 論 計 算 に よ り確 か め るが,吹 き 込 み ガ スが 炉 内 を上 昇 す る間 に 半径 方向 の 混 合 拡 散 に よ り浸透 した もの で あ る.混 合 拡散 は 一 般 に 粒 子 径 に 比 例16)するが,本 実 験 で は 炉 径 に 比較 し,相 対 的 に 粒 子径 を大 き く とつ て お り,混 合 拡散 の効 果 は実 際 高 炉 の場 合 よ り過 大 に で て い る.Fig. 5. Radial eddy diffusion of IRG.
2.2 3次 元 コ ー ル ドモ デ ル に よ る 実 験 と 考 察 2次 元 モ デ ル の 結 果 は,ガ ス 吹 き 込 み 口 の 本 数 が 十 分 あ り,IRGが 炉 周 部 で 円 環 状 に 分 布 し た と き の 現 象 に 対 応 す る が,こ こで は,吹 き 込 み 本 数 の 炉 内IRG分 布 に 及 ぼ す 影 響 を3次 元 モ デ ル に よ り調 べ た. 2.2.1 実 験 方 法 実 験 装 置 は,川 崎3高 炉(内 容 積936m3)の1/20の 鉄 製3次 元 モ デ ル で,3mmφ の ガ ラ ス 球 を 充 填 し,送 風 羽 口8本,シ ャ フ ト下 部 にIRG吹 き 込 み 口8本 を 有 す る(Fig.6).側 壁 に3段 に わ た り,合 計48個 の サ ン プ リ ン グ孔 が あ る.送 風 羽 口 か らN2,吹 き 込 み ガ ス と し て 空 気 を 用 い,2mmφ の 銅 パ イ プ に よ り,半 径 方 向 の ガ ス を 採 取 し,O2濃 度 分 布 を 測 定 した.実 験 条 件 は, 総 流 量(U+V)=225Nm3/hr,ガ ス 吹 き 込 み 口 径25 mm一 定 と した. 2.2.2 3次 元 的 なIRG分 布 に 及 ぼ すU/(U+V) の 影 響 3次 元 モ デ ル で8本 の 羽 口 と ガ ス 吹 き 込 み 口 を 用 い て,IRGをU/(U+V)で0.2,0.4,0.6,0.8と4 水 準 と り吹 き 込 み,IRGの 炉 内 分 布 を,吹 き 込 み 口 よ り188mm上 と5.0mm上 で 測 定 した.Fig.7に0.2 と0.8の 場 合 に500mm上 で 測 定 し たIRGの 炉 内 分 布 を 示 す.吹 き 込 み 量 が 少 な い と き は,吹 き 込 み 口 を 中 心 と し て 円 状 ま た は 楕 円 状 に 広 が り,多 く な る と隣 接 し た 吹 き 込 み 口 か ら のIRGが 互 い に 干 渉 し,炉 の 中 心 部 ―25―
Fig. 6. Experimental
apparatus
(Three dimen
-sional model).
Fig. 7. Influence of U/(U+V)
on IRG
pene-tration in the three dimentional model.
に 押 込 まれ て 円環 状 分 布 に な る.3次 元 の 実験 で も混 合 拡 散 に よ る浸 透 が 認 め られ た. 2.3 実 高 炉 に お け るIRGの 浸 透 の 推 定 以 上 の 実験 や試 験 高 炉 で の 測 定4)15)か ら,実 際高 炉 の 場 合 に,IRGは 吹 き込 み 口近傍 で 急 速 に 浸 透 し,炉 内 分 布 はU/(U+V)に 支 配 され る と推 論 す れ ば,残 され た 問 題 は 混 合拡 散 の 程 度 で あ る.IRGの 混 合 拡散 を 表 わ す 基礎 式 に て理 論 的 に 計算 した結 果 が,2次 元 モ デル の 実験 結 果 と一 致 す る こ とを認 め た の で,3次 元 の 基 礎 式 を実 際 高 炉 の 条件 に て 解 い て,IRGの 実 際 高炉 で の 混合 拡 散 に よる 浸透 の 効 果 を 推 定 した. 2.3.1 基礎 式 以 下 の4っ の 仮 定 に 基 き基 礎 式 をた て た. (1) 吹 き込 み レベ ル以 上 で 半 径 方 向 の 流 速分 布 は な い. (2) 吹 き込 み 口 レベ ル でIRGはU/(U+V)の 割 合 で周 辺 部面 積 を 占め る. (3) 炉壁 の テ ーパ の影 響 は無 視 で き る. (4) 充 填 物 の粒 子径,空 間 率,表 面 係 数 の分 布 は無 視 で きる. (8)式 は2次 元 モ デル,(9)式 は実 際 高 炉 に 対 す る基 礎 式 で,境 界 条 件 を(10)∼(15)の よ うに 定 め た.
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
こ こでBは 初 期 浸 透位 置で あ り仮 定(2)か ら, (2次 元 モ デル)(14)
(実際 高 炉)(15)
(8)式 か ら(15)式 まで をす べ て 無 次元 化 す る と,(16)式 は2次 元 モ デル に(17)式 は実 際 高 炉 に対 す る基 礎 式 で, 境 界 条件 は(18)∼(23)式 の よ うに な る.(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
(21)
こ こで,初 期 浸 透位 置 βは, (2次 元 モデ ル)(22)
(実際 高炉)(23)
各 種 無 次元 項 の 定 義 は 次の よ うで あ る. γ=C/C0,ξ=1/L,η=r/R, k=(LDp/R2)/Pe,Pe)Dp/D(ペ ク レ数) (16)と(17)式 の 右 辺 を 差 分 化 す る と,(半 径 方 向 の 分 割 数+1)個 の 連 立 常 微 分 方 程 式 と な る.こ れ ら を, RUNGE-KUTTA-GILL法16)に よ つ て,軸 方 向 に 沿 つ て 解 く こ とが で き る.半 径 方 向 の 分 割 数 は2次 元 モ デ ル で 40,実 際 高 炉 で はkの 値 が 小 さ く な る の で80と し た. ―26―炉 頂 ガ ス 循環 法 に よ る高 炉 へ の 還 元 ガス 吹込 み の効 果 と炉 内分 布 に つ い て の考 察 1511
充 填層 内 の流 体 混 合 の実 験 は,数 多 く行 な わ れ て お り, Pe数 とRe数 との関 係 で整 理 され て い る16).Re数 の低 い領 域 で は,分 子 拡 散 が 支 配 的 とな り,Pe数 はRe数 の 値 に よ り変 化 す るが,Re数 が20以 上 で は,混 合 拡 散 が 支配 的 とな りPe数 は8∼10の ほ ぼ 一 定 の値 とみ な せ る ので,こ こで はPe数 を8と した.炉 の半 径Rは,高 さ を その ま ま固 定 して,2次 元 モデ ル で は,吹 き込 み 口か ら装入 線 まで の 面 積 が 等 し くな る矩 形 を,実 際 高 炉 で は 容 積が 等 し くな る よ うな 円 柱 を考 え て きめ た. 2.3.2 計 算 結 果 Fig.8は,2次 元 モ デ ルの 実 験 条 件 に よ り,(16)式 で 計 算 した結 果 に実 験 結 果 を プ ロ ッ トした もの で,両 者 は よ く一 致 して い る.こ れ よ り,IRGが 炉 内 を上 昇 す る間 の ひ ろが りは,混 合 拡 散 が 支 配 的 で あ る と説 明 で き る.こ の 結 果 か ら2次 元 モ デ ル で の壁 内厚 の 影 響 も無 視 で き る こ とが わ か つ た.(17)式 に て 幅 山3高 炉(内 容積 3016m3)の 条 件 でIRGの 炉 内 分 布 を計 算 した 結 果 を, Fig.9に 示 す.IRGの 浸 透 深 さは,2次 元 モ デル に 比 較 す る と少 な いが,円 周 部 に 占め る面積 が広 い ことが わ
Fig. 8. IRG distributions obtained by theoretical calculation and experiments.
Area occupied by peripheral part [-] Fig. 9. IRG penetration calculated for
Fukuya-ma No 3B F. か る.(16)と(17)式 か らわか る よ うに,混 合 拡 散 の 効 果 は,無 次元 項kの み に て整 理 で き,kを 無 次 元 混 合 拡 散 係 数 と名付 け る.Table 2は,当 社 の8基 の 高 炉 に つ いてkの 値 を計 算 した も ので,炉 内容 積 の 拡 大 に 伴 い相 対 的 に 装入 物 粒 子 径が 小 さ くな るの で その 値 は低 下 し,混 合 拡 散 の効 果 は 炉 容が 大 に な るほ ど小 さ くな る (Fig.10).実 際 高 炉 でIRG浸 透 を 支 配す る 因 子 は, U/(U+V)とkで あ り,周 辺 部 のIRG濃 度 が 高 くな る こ とが わ か る. 2.4 半 径 方 向 の 装入 物 分 布の 影 響 以上 の 考 察 は,炉 内径 方 向 に流 速 分 布 が存 在 しな い も の と してす す め て き たが,実 際高 炉 で は,鉱 石 とコ ー ク ス の 分 布 な どに 起 因す る ガス 流 速分 布 が 実 在 す る.IRG の 利 用効 率 を高 め る上 か ら も,鉱 石 分 布 とIRG分 布 の 関 係 を検討 して お く こ とは,実 用上 重 要 な こ とで あ る. 試 験 高 炉 で還 元 ガ ス 吹 き込 み 実 験時4)に,Fig.1に
Fig. 10. Influence of k and U/(U+V)
on IRG
distribution.
Table 2. Dimensionless eddy diffusivity of
com-mercial blast furnaces in NKK.
(Dp=30mm,Pe=8)
Fig. 11. IRG penetration measured from experimental B-F and third dimensional model. 示 す よ うに 炉 内IRG分 布 を測 定 じた.そ の ときの 測 定 結 果か ら,炉 内IRG分 布 を計 算 した もの を実 線 で 示 し, 実 測 値 が 黒 丸 で あ る.再 び3次 元 モデ ル に て,無 次 元 混 合 拡 散 係 数kが 等 し くな る よ うな条 件 で,U/(U+V) を試 験 高 炉 の 吹 き込 み条 件 と同 じ0.27と して,位 置 関 係 も30° ず らせ,kの 値 を 満 足す る測 定 レベ ル1(3次 元 モ デ ルで 吹 き込 み 口上500mmの 位 置)の 点 でIRG 分 布 を測 定 した もの を 点線 で 示 す.こ れ よ り試 験 高 炉 の 場 合 に は,IRGが3次 元 モ デル で の 実 験 に よ る 予 測 値 よ り深 く浸 透 して い るの は,Fig.1と 温 度 測 定結 果4) で 中心 部 温 度 が 高 い こ と と,解 体 後 調 査17)でコー クス が 非常 に 多 く 中心 に 分 布 して い た こ とか ら中心 ガス 流 を 助 長 した こ とは 明 らか で あ り,半 径 方 向 の ガ ス流 速 分 布 に IRG浸 透 深 さが 影 響 を うけ た と考 え て い る. この事 実 か ら,半 径 方 向 の装 入 物 分 布がIRGの 分 布 を 支 配す る も う1つ の 因 子 と考 え られ,半 径 方向 の 装 入 物 分 布 とガ ス流 速 分 布,IRG分 布 の 関 係 お よ び 還元 ガ ス 吹 き込み に適 した 装 入 物 分 布 につ い て検 討 す る. 2.4.1 基 礎 式 基礎 式 を た て る上 の 仮 定 は 次 の二 つ で あ る. (1) 炉 内の 鉱 石 層,コ ー クス層 と もに層 内の 粒 径 分 布,空 隙率 分 布,表 面 係 数 の分 布は 無 視 で き る. (2) 半 径 方 向 の ガ ス の温 度,圧 力,密 度 の 分 布 は 無 視 で き る. 最 近 装 入 物 分 布 とガ ス 流 速分 布の 解 析が 報 告18)され て い るが,こ こで は 簡 単 にす るた め 混 合 拡散 を 考 え ず に IRGの 浸 透 と関 係 づ け て,装 入 物 の最 適分 布 を考 え る. 鉱 石 と コー クス が層 状 に 装 入 され るので,両 者 の 見 か
Fig. 12. Radial distributions of ore and coke.
け の 安 息 角 の 差 に よ り 半 径 方 向 にOre/Cokeの 分 布 が 生 ず る.Fig.2で 示 す よ う に,炉 口 半 径R[m],鉱 石 と コ ー ク ス の 見 か け の 安 息 角 を αo,αcと し,1チ ャ ー ジ の 鉱 石 量 をao[m3(Ore)/ch],鉱 石 と コ ー ク ス の 比 を δ[m3(Ore)/m3(Coke)]と す れ ば,半 径 方 向 の 鉱 石 層 の 分 布 ω[m(Ore)/m(Ore+Coke)]は,
(24)
粒 径,空 隙 率,表 面 係 数 の 分 布 は,仮 定(2)を 考 慮 し (25),(26),(27)式 で 与 え られ る.(25)
(26)
(27)
(2)式(ERGUNの 式)を 変 形 し て,(28)
物 質 収 支 よ り,(29)
(28),(29)式 に仮 定(2)し て を 考 慮 して変 形 す る と,半 径 方 向 の 流 速分 布X(平 均 流 速 で 無 次元 化)は, ―28―炉 頂 ガス 循 環 法 に よ る高 炉 へ の還 元 ガ ス吹 込 み の効 果 と炉 内 分 布 につ いて の 考察 1513
(30)
送風 か ら発 生 した ガ スは,炉 中 心 か ら初 期 浸 透位 置 まで (γ=0∼B)を 占め るの で,(31)
これ を変 形 して 無次 元 化 す れ ば,(32)
(32)式 を 満 足 す る β を 求 め れ ば,こ れ がOre/Cokeの 存 在 す る と きのIRGの 浸 透 位 置 で あ る. IRGが 炉 内へ 浸 透 して 接 触 しうる鉱 石 量 は,初 期 浸 透 位 置か ら炉 壁 まで(r=B∼R)の 炉周 辺 円環 部 に 含 ま れ る鉱 石 量 を 合 計 す れ ば よい.IRGの 接 触 す る鉱 石 の 割 合 を ζ とす れ ば,(33)
2.4.2 計 算 結 果 半 径 方 向 に鉱 石 と コー クス の分 布 が な い 場合,焼 結 鉱 また は ペ レ ッ トを 使 用 した場 合 の 三 つ の 場 合 の 結 果 を 示す.Table 3に 計 算 に用 い た装 入 物 の 条 件 を 示す. 上 述 の 三 つ の 場 合 に つ い て,半 径 方 向 の ガス 流 速Zと 鉱 石 層 の 占め る割 合 ωの分 布 を 示 すFig.13に て,焼 結 鉱 の場 合 は 周 辺 に 鉱 石 が 多 くな り中心 流 が 強 く,ペ レ ッTable 3. Conditions of burden used to the calcu-lations.
Fig. 13. Redial distribution of are and gas speed [-]. トの 場 合 に は,中 心 の 鉱 石 層が 厚 く周 辺 流 が 強 い.こ れ は実 際 操 業 の経 験 に一 致 す る. こ こで 得 たXの 分 布 に よ り,(32)式 か ら β を計 算 し IRGの 初 期 浸透 深 さ(1-β)とU/(U+V)の 関 係 を 得 た のが,Fig.14で あ り,周 辺流 の 強 い ペ レ ッ ト装 入 の 場合 にIRGの 浸 透深 さが 短 く,中 心 流 の 強 い焼 結 鉱 装 入時 に は長 くな る.Fig.15に,三 つ の場 合 の 鉱 石 の 分 布 ω と浸 透 位 置 βを(33)式 に 代入 し,IRGと 接 触 し うる鉱石 量 の 割 合 ζを求 め た.ペ レ ッ トに 比 較 し,焼 結 鉱 の 場 合 が,同 一U/(U+V)に 対 し,IRGと の 接 触 量 が4∼2倍 多 くな る.IRGは 羽 口先 発 生 ガス よ りN2 %が 低 く,還 元 能 力 が 高 いか ら,装 入 物 分 布 を適 切 に 調 節 し,両 者の ガ ス の還 元 効 率 を等 しくす る よ うにす る こ とが 望 ま しい.IRGと 羽 口先 発生 ガス の 還元 能 力の 比 を 〓 とす る と,IRGと 接 触 で き る 鉱石 の 割 合 ζの理 想 的 な分 布 は,(34)式 で 与 え られ る.
Fig. 14. Influence of burden distribution on
initial penetration depth of IRG
(-)
Fig. 15. Influence of burden distribution on frac-tion of are covered by IRG ƒÄ. ―29―
(34)
Fig.5で 理 想 的 な 場 合 とは,IRGが 羽 口先 発 生 ガス に対 し約2倍 のCO+H2を 含 む と し,θ=2と した と きの理 想的 な分 布 ζを計 算 した もので 点線 で 示 し,焼 結 鉱装 入 の場 合 が 最 も これ に 近 い.還 元 ガス 吹 き込 み は周 辺 に 鉱 石 が 多 く中心 流 の 強 い 操 業 の場 合 に と くに効 果が あ る. 3. 炉 頂 ガ ス 循 環 法 に よ る 高 炉 へ の 還 元 ガ ス 吹 き 込 み 理 論 3.1 炉 頂 周 辺 ガ ス 流 を変 成 用 ガス 源 と す る可 能 性 2.3項 で 検 討 した よ うに,周 辺 部 のIRG濃 度 は 高 く な るか ら,こ の 部 分 の ガ ス を選 択 的 に 取 出せ れ ば,送 風 中 のN2が あ ま り混 入 しな い還 元 能 力 の高 い原 料 ガ ス と して利 用 で き11),高 炉 で も炉頂 ガ ス循 環 方 式(NKGプ ロセ ス)を 実 現 で き る.こ の原 理 はFig.16に 示 され, 炉 頂 部でIRG分 布が あ る と き,η=ηo∼1.0の 範 囲 の ガ ス を取 り出せ ば,こ の 範 囲 に対 応 す る矩 形 の領 域 に対 して 斜線 の領 域 の 占め る割 合 が,取 り出 され た ガス 中で IRGが 占 め る割 合 に な る.取 り出 した ガ ス 中 のIRGの 割 合 を φ とすれ ば 2次 元 の と き,(35)
3次 元 の と き,(36)
2次 元 モ デ ル(Fig.1)で は シ ャ フ ト上 部 の 左 右 に2本 の 周 辺 流 取 り 出 し 口 が,3次 元 モ デ ル(Fig.6)で は, IRG吹 き 込 み 口 直 上 の シ ャ フ ト上 部 に8本 の 取 り出 しFig. 16. Ideal fraction of IRG in recycle gas taken out of periphery.
口が あ る.両 モ デ ル とも に,取 り出 し流 量 を 測 定 で き る よ うに した.U/(U+V)=0.40で,周 辺 流 取 り出 し量 Ufを 変 え て,循 環 す るガ ス 中 のIRG分 率 φ を 測 定 し た.ま た 取 り出 し 口近 傍 の レベ ル で 測 定 したIRG分 布 γを(35)式 に代 入 し,取 り出 しガ ス 中 の理 想 的 なIRG 分 率 を計 算 した.Fig.17で3次 元 の 場 合 の 計算 値 を実 線 と点 線,実 測 値 を 黒丸 で 示 した が,両 者 は よ く 一 致 し,理 想IRG分 率 で 取 り扱 え る. 周 辺 流 取 り出 しを しな い場 合,φ の 値 は 循 環す る ガ ス 量 にか か わ らず,U/(U+V)の 値 に等 し く この実 験 で は0.40に な る.周 辺 流 取 り出 しを す る場 合 φの値 は, すべ て0.40よ り高 く,と くに 取 り出 し量 の少 な い と き φが 大 き くな る.実 際 高 炉 で は 混 合 拡散 が 少 な いの で, 周 辺流 取 り出 しの効 果は さ らに 大 きい.福 山3高 炉 に つ Number of nozzles 8 Number of taking-out holes 8
Fig. 17. Effect of taking-out of peripheral flow on IRG penetration in the recycle gas ƒÓ (three dimensional model).
Fig. 18. Effect of taking-out of peripheral
flow
on IRG fraction in the recycle gas sb
(Fukuyama No 3B F)
炉 頂 ガ ス循 環 法 に よ る高 炉 へ の 還 元 ガ ス吹 込 み の 効 果 と炉 内分 布 に つ い て の考 察
1515
Fig. 19. Scheme of the calculation of reducing gas injection by top gas recycle .
き計 算 した 装 入 線 近傍 のIRG分 布(Fig.9)に よ り (36)式 で ψを計 算 した の がFig.18で あ る.点 線 は周 辺 流 取 り出 しを しない 場 合 で,点 線 と実 線 の 間 の 領 域 が周 辺 流取 り出 しの 効 果 とな る. 3.2 炉 頂 ガス 循 環 法 に よ る 還元 ガ ス性 状 の 予 測 計 算 周 辺 流 取 り 出 しをす る 場 合 と しない 場 合 に つ い て, IRGの ガス 組 成 を 予 測 し,両 者 の コー クス 比 低下 に 及 ぼす 効 果 を推 定 す るた め で,Fig.19に 計 算 の構 成 を示 す.操 作 条 件 は 循 環 ガ ス と反 応 させ る炭 化 水 素 の 量 と組 成で,部 分 酸 化 法 の 併用 も 考 慮 した モ デル で,答 えは IRG,循 環 ガス(取 り出 しガ ス)と 炉 頂 廃 ガス の流 量 と 組 成 が求 ま る. 3.2.1 基礎 式 (1) リフ ォー マ ー前 後 の 物 質 収 支 変 成用 炭 化 水 素 の組 成ai,bi,c1はCH2alOblN2clで 示 し,Clモ ル に 対 す るH2,O,N2の モ ル比 を表 わ す. 流量Uflは 炭 化 水 素 か ら発 生 す る ガス量 換 算 流 量 で,C 1モ ル 当 た り(1+ai+ci)モ ル の ガ ス を発 生 す る と した. Cバ ラ ンス:
(37)
H2バ ラ ン ス:(38)
Oバ ラ ン ス:(39)
N2バ ラ ン ス:(40)
IRGの 熱 的 制 約(吹 き込 み 温度 で シ フ ト反 応 平 衡 を 仮 定):(41)
IRGのR値:(42)
(2) IRG吹 き込 み 前 後 の 物 質 収 支 IRG中 のCO2,H20の うち 温 度 条 件 に よ り,炉 内 に て ソ リ ュ ー シ ョ ン ロス 反 応 を 起 こ す と考 え そ の 反 応 率 をamlと す る. ソ リ ュ ー シ ョ ン ロス 反 応:(43)
(44)
H2バ ラ ン ス:(45)
Oバ ラ ン ス:(46)
N2バ ラ ン ス:(47)
(3)IRG吹 き込 み 口 と炉 頂 間 にお け る物 質 収支 ―31―Cバ ラ ン ス
(48)
H2バ ラ ン ス:(49)
N2バ ラ ン ス:(50)
循 環 ガス のCO利 用 率:(51)
循 環 ガ ス のH2利 用 率:(52)
廃 ガ ス のCO利 用 率:(53)
廃 ガ スのH2利 用 率: (54) (4) 循 環 ガ ス と 廃 ガ ス のC,H2の 分 配 Cの 分 配:(55)
H2の 分 配:(56)
こ こで,循 環 ガ ス 中 のIRG分 率 ψは,周 辺 流 取 り出 しを しな い と き ψ=U/(U+V)で 与 え られ,周 辺 流 取 り出 しをす る と きに は,(17)式 を 所 定 の境 界 条 件 の も と に解 き,炉 内IRG分 布 γを得 た の ち(36)式 に 代 入 して 求 ま る. 3.2.2 計算 結 果 循 環 ガ ス 中のCO2とH20で,新 た に供 給 され る炭 化 水 素CHmを 変 成 す るか ら,炭 化 水 素 の 種 類 す なわ ち mの 値 に よ り発生 す るIRGの 量 と組 成 が 変 わ る.mを 供 給 炭化 水 素 のC/H(重 量 比)で 計 算 結 果 を 整 理 す る こ とに し,Table4に 例 を示 した.Table 5に 計 算 条件 を 示 した.供 給 炭化 水 素 を単 一 種 類 と し,部 分 酸化 を併 用 しな い こ とに す る と,計 算 結 果 はU/(U+V)とUr/ (U+V)の 表 示 で整 理 され,Vが0以 外 な ら,い か な る 値 を入 れ て も結 果は 変 わ らな い.Fig.18に ガ ス吹 き込 み 量U/(U+V)を 変 えて,循 環 ガ ス 中 のIRG分 率 ψ と循 環 ガス量Ur/(U+V)の 関 係 を 示 したが,本 来 こ れ らの 各 数 値 は,C/Hが 与 え られ る と,相 互 に 関 連 し て きま る. 循 環 ガス量 の増 加 に よ るIRG吹 き込 み 量 の 増 加 を, C/Hを パ ラメ ー タ と して,Fig.18の 上 に 重 ね て 示 し た の がFig.20で あ る.た とえば,C/H=4の 原 料 を 使 つ て,U/(U+V)=0.2のIRGを 製 造 す る と き,周 辺 流 取 り出 しをす れ ば,循 環 ガ ス量 は0.1必 要 で,そ の とき ψは0.8と な る.周 辺流 取 り出 しな しで は,0.15 の 循 環 ガス が 必要 で 吹 き込 み ガ ス 中 のIRG分 率 ψ は 0.2に な る.C/Hを パ ラ メー タ ー と して,循 環 ガ ス の 組 成 とIRG吹 き込 み量 の関 係 もN2,CO,CO2,H2,H20 に つ き求 め られ,Fig.21に 循 環 ガス 中 のN2%の 変 化 を またC/H-4,U/(U+V)が0.1と0.3の と きの ガ ス組 成 計 算 例 をTable 6に 示 した.周 辺 流 取 り出 しを すれ ば, U/(U+V)の 小 さい 範 囲 で 循 環 ガス 中 のN2%が 急 激Table 4. C/H (rate by weight) of various materials.
Table 5. Conditions for the calculations.
炉 頂 ガ ス循 環 法 に よ る高 炉 へ の還 元 ガス 吹込 み の効 果 と炉 内 分 布 に つい て の 考察 1517
Fig. 20. Effect of taking-out of peripheral flow on IRG fraction in the recycle gas cb に 低 下 し,0.5に 達 す る ま で に ほ と ん ど0に な る.こ の 傾 向 はC/Hが 低 い ほ ど顕 著 で あ る.周 辺 流 取 り出 し を しな い と,逆 にU/(U+V)の 小 さ い 範 囲 でN2%低 下 は 鈍 く,ほ と ん ど実 用 性 の な い0.5以 上 で 大 き く低 下 す る.両 者 のN2%の 差 は,C/H=4の と き,U/(U+V) =0.4で 最 大 と な り,40%,U/(U+V)=0.2で32% と な る.Fig.22に は,吹 き 込 み ガ ス 中 のN2%を,同 様 な 条 件 で 示 した.C/H-4,U/(U+V)=0.4で,周 辺 流 取 り出 し を す る と,し な い と き に し ら べN2%は28% も低 く な り,0.45以 上 で は,IRG中 のN2%は0に な る.Fig.23,24は,IRG中 のCO%,H2%の 計 算 値 を 示 し た も の で あ る. 以 上 か ら,周 辺 流 取 り 出 し技 術 を 用 い れ ば,高 炉 に お い て 循 環 方 式 に よ り,N2の 低 い 還 元 ガ ス 吹 き 込 み が 可 能 と な る. 3.3 炉 頂 ガ ス 循 環 法 に よ る 高 炉 へ の 還 元 ガ ス 吹 き 込 み 効 果 の 推 定 周 辺 流 取 り出 し を 含 め て,炉 頂 ガ ス 循 環 方 式 に よ り高
Fig. 21. Effect of U/(U+V)
and C/H on N2%
of recycle gas.
Fig. 22. Effect of U/ (U+V)
and C/H on N2%
of IRG.
Table 6. Gas compositions of recycled
gas with or without taking out of peripheral
How in C/H=4.
Fig. 23. Effcct
of U/(U+V)
and C/H on CO
% of IRG.
炉へ 還 元 ガ ス 吹 き込 み を 行 な つ た場 合 に,ガ ス 吹 き込 み 量 と コー クス比 低 下 や 置 換 率 を,以 上 の 検 討 を も とに推 定 した. 3.3.1 計 算 方 法 前 節 ま で の 計 算 は,送 風 に よ り 生 成 す るガ ス量 と 組 成,炉 内 ガ ス利 用 率 を固 定 して計 算 した が,コ ー クス 比 を 推 定 す るた め には,こ れ ら も操 作 条 件 の 関数 とす る必 要 が あ る.高 炉 の コー クス 比 を 推定 す る モデ ル は,RIST らの モ デ ル20)をさ らに 発 展 させ,還 元 ガス 吹 き込 み を考 慮 した操 業 直 線 モ デル を作 成 した.こ の モ デ ルで は,シ ャ フ ト効 率 と炉 下 部 熱 損 失 のみ を仮 定 す れ ば,そ の 操 業 条件 で の コー クス比,送 風量,炉 頂 ガス組 成 を予 測 で き る. モ デ ル の総 合 的 な構 成 は,Fig.25に 示す.計 算 の 手 順 は,Fig.26に 示 す よ うに,ま ず 操 作条 件,仮 定 値 を 読 み 込 み,循 環 ガス の組 成 と流 量 の第1近 似 値 を 適 当 に 与 え,流 量 は,IRGの 組 成 に対 す る制 約(IRGのR値: R2)を 満す ま で.NEWTON-RAPHSON法19)で そ の 値 を 変Fig. 24. Effect of U/ (U+V)
and C/H on H2%
of IRG.
化 させ 決 定 され る.循 環 ガス の 組 成 は,操 業 直 線 モ デ ル に よ る コー クス比,送 風 量 の 推 定 を 含 め て,1ル ー プの 計 算 で得 られ る値 を反 復 使 用 し,最 終 的 に全 体 的 に バ ラ ンス の とれ た 収 束値 が 得 られ る.混 合 拡 散 モデ ル は,循 環 ガ ス 中のIRG分 率 ψを 計 算 す るた め の もの で,周 辺 流取 り出 しをす る と きには,2.3項 の解 析 に 使 用 した モ デ ル を利 用 す る. 3.3.2 計 算結 果 還 元 ガ スの 吹 き込 み 温 度 を1200℃,R値[(CO+ H2)/(Co2+H2O)]=20,供 給 炭 化 水 素 を コー クス炉 ガ ス と した場 合 に つ い て,還 元 ガス 吹 き込 み 量 と コー クス 比 低下 量 と直 接 還元 量 の減 少 を,付 表 の 条 件 に対 して, Fig.25に 示 した モ デル で推 定 した結 果 をFig.27に 示 す. 周 辺 流 取 り出 しを した と きに は,還 元 ガス 吹 き込み 量 を増 加 す るに つれ て,コ ー クス比 低 下 率 が大 き くな り, 400Nm3/tHM以 上 で は,23kg/100Nm3の 値 で ほぼ 一 定 に な る.ち なみ に 実験 値 と して は ,八 塚 ら5)が27∼ 30kg/100Nm3と 高 め だ が,著 者 らの 試 験高 炉 で の 実 ―34―炉 頂 ガ ス循 環 法 に よ る高 炉 へ の還 元 ガ ス吹 込 み の効 果 と炉 内分 布 に つ い て の考 察 1519
Fig. 25. Scheme of the calculationIof effect of reducing gas injection.
Fig. 26. Flow chart of calculation. 験4)で23∼25kg/100Nm3,CockerillCO.7)で24kg/ 100Nm3と,こ こで 得 た 計 算 結 果 に 近 い 値 を 出 して い る. 周 辺 流 取 り 出 し を し な い と き も,還 元 ガ ス 吹 き 込 み 量 の 増 加 に よ り置 換 率 が 向 上 し,400∼1000Nm3/tHMの 間 の 置 換 率 は,17kg/100Nm3と な る.周 辺 流 取 り出 し
Fig. 27. Effects of reducing gas injection on coke
rate with or without taking-out of
pe-rinheral flow.
に よ る効 果 は,置 換 率 で6kg/100Nm3と 大 きい こ とが わ か る.Fig.26の 直 接 還元 量 の減 少 よ り,周 辺 流取 り 出 しの とき,還 元 ガス 吹 き込み 量1080Nm3/tHMで, 0と な り,コ ー ク ス比 は205kg/tHMと 推 定 され,こ の 値が,物 質 収 支 と熱 収 支 の面 か らの,循 環 方 式 に よる ―35―還元 ガス 吹 き込み の限 界 と最 低 コー クス 比 とな る. 4. 結 言 (1) 実 際 高 炉 の1/10の2次 元 コ ー ル ドモ デ ル, 1/20の3次 元 モ デル で実 験 を行 ない,吹 き込 み ガ ス の炉 内へ の浸 透 に 及 ぼ す 各 種 要因 の影 響 を明 らか に し,実 際 高 炉 にお け るIRGの 浸 透 を理 論 計 算 で 推 定 し,以 下 の 結 論 を得 た. (i) 吹 き込 み ガス は,吹 き込 み 口直 上 で 急 激 に炉 内 に 浸 透 し,吹 き込 み 量U/(U+V)に 対 応 す る面 積 を 占 め る. (ii) 総 流 量,吹 き込 み 流 速 は,吹 き込 み ガス の 浸 透 に 実 質的 な影 響 を与 えな い. (iii) 吹 き込み ガ スは,炉 内 上 昇 中混 合 拡 散 に て 浸 透 す る. (iv) 吹 き込 み ガ ス は,吹 き込 み 口を 中心 と し,円 状 あ る いは 楕 円 状 に 拡 が り,吹 き込 み 量,吹 き込み 口本 数 の 増加 に よ り炉 周 部 を円 環 状 に 占 め,こ の 面積 は相 対 的 に十 分 広 い. (v) 実際 高 炉 で 吹 き込 み ガ ス の 浸透 は,全 炉 内通 過 ガス量 に対 す る吹 き込 み ガ ス量U/(U+V)と 炉 内上 昇 中 の 半 径 方向 の混 合 拡 散 お よび 装入 物 分 布 が 主要 因 とな る. (vi) 半 径 方 向 の混 合 拡 散 の 効 果 は大 型 高 炉 ほ ど小 さ い. (vii) 還 元 ガス 吹 き込み 操 業 は,焼 結 鉱 に よ る操 業 の よ うに,周 辺 部 に鉱 石 が 多 く 中心 ガス 流 の強 い操 業 に 適 す る. (2) 高 炉 で の 炉 頂 ガス 循環 方 式 は,新 原 料 が 少 な く て コー クス比 を 大 幅 に 低下 で き る 将 来有 望 な 技 術 で あ る.と くに炉 頂 部 か ら変 成 用原 料 と して,周 辺 ガス 流 を 取 り出 し循 環 使 用 す る と,吹 き込 み ガス 中 のN2%を 著 し く低 下 で きる こ とを,コ ー ル ドモ デル実 験 と,循 環 変 成 シ ス テ ム モ デ ル を開 発 して確 かめ,コ ー クス比 低 下 に 及 ぼ す効 果 も推 定 した. (i) 2次 元,3次 元 コー ル ドモ デル で炉 頂 か ら周 辺 ガス 流 を取 り出す 実 験 に よ り,IRG分 率 が 高 い ことを 確 か め た. (ii) 循 環 ガ ス,IRGの 組 成 を,供 給 炭化 水 素C/H とU/(U+V)の 値 を変 えて,周 辺 流 取 り出 しをす る場 合,し な い 場 合 に つ いて,モ デ ル計 算 に よ り推 定 した. (iii) 周 辺 流 取 り出 しに よ り,吹 き込 み ガス 中 のN2% を 大 幅 に低 下 で き る.C/H=4の と きIRG中N2を 28%低 下 で き る. (iv) 吹 き込 み ガス 量 増 加 に伴 い コ ー クス 比低 下 率 は 大 き く な り,400Nm3/tHM以 上 の 吹 き 込 み で 置 換 率 は, 周 辺 流 取 り出 しを す る と き,23kg/100Nm3,周 辺 流 取 り出 し を しな い と17kg/100Nm3と 推 定 さ れ,そ の 効 果 が 認 め られ る. (v) 計 算 で は,周 辺 流 取 り 出 しで 循 環 方 式 に よ り 1080Nm3/tHMの ガ ス を 吹 き 込 む と,直 接 還 元 率 は0 と な り,コ ー ク ス 比 が205kg/tHMと な り 限 界 に 達 す る. (vi) 高 炉 で 炉 頂 ガ ス 循 環 方 式 に よ る 還 元 ガ ス 吹 き 込 み で 周 辺 流 取 り出 し技 術 は き わ め て 有 効 で あ る. 記 号 g:重 力 加 速 度[m/sec2] gc:重 力 換 算 係 数[kgm/sec2・kg] P:ガ ス の 圧 力[kg/cm2] ρ:ガ ス の 密 度[kg/m3] μ:ガ ス の 粘 性 係 数[kg/m・sec] u:ガ ス の 流 速[m/sec] uo:IRGの 吹 き 込 み 流 速[m/sec] t:時 間[sec] c1:定 数[m] c2:定 数[m] c3:定 数[-] H:高 さ[m] ε:層 空 間 率[-] Dp:粒 子 径[m] φ:粒 子 の 表 面 係 数[-] Re:粒 子 レ イ ノ ル ズ 数[-](=ρuDp/μ) M:ガ ス の 分 子 量[kg/kg・mol] R':ガ ス 定 数[m3kg/deg・kg・mol・cm2] (=874.8) T:ガ ス の 温 度[°K] Lc:代 表 長 さ[m] l1:2次 元 モ デ ル の 代 表 長 さ[m] v:無 次 元 項[-] (=1.75MLeuo2(1-ε)/gcR'TφDpe3) U:IRG量(ソ リ ュ ー シ ョ ン ロ ス 反 応 に よ る 流 量 変 化 を 考 慮)[Nm3/tHM] V:羽 口 先 コ ー ク ス 燃 焼 と 直 接 還 元 に よ る 発 生 ガ ス 量[Nm3/tHM] D:混 合 拡 散 係 数[m2/sec] C:IRG濃 度[kg・mol/m3] Co:ガ ス の モ ル 密 度[kg・mol/m3] l:IRG吹 込 み ロ レベ ル か ら上 へ 向 う 距 離[m] L:IRG吹 込 み ロ レベ ル か ら装 入 線 ま で の 距 離 [m] ―36―
炉 頂 ガ ス循 環 法 に よ る高 炉 へ の 還元 ガ ス吹 込 み の効 果 と炉 内 分布 につ い て の考 察 1521 r:炉 中 心 か ら の 半 径 方 向 距 離[m] B:IRGの 初 期 浸 透 位 置[m] R:IRG吹 込 み ロ レ ベ ル か ら 装 入 線 ま で の 炉 の 平 均 半 径[m] κ:無 次 元 混 合 拡 散 係 数[-](=(LDp/R2)/Pe) γ:炉 内 ガ ス のIRG分 率[-](-C/Co) ξ:軸 方 向 距 離[-](-l/L) η:半 径 方 向 距 離[-](-r/R) β:IRGの 初 期 浸 透 位 置[-](=B/R) ηo:周 辺 流 取 り 出 し量Ur/(U+V)に 対 応 す る 炉 内 の 位 置[-] Pe:ペ ク レ数[-](=uDp/D] αo:鉱 石 の 炉 内 で の 見 掛 け 上 の 安 息 角[°] αc:コ ー ク ス の 炉 内 で の 見 掛 け 上 の 安 息 角[°] εo:鉱 石 層 の 空 間 率[-] ξc:コ ー ク ス 層 の 空 間 率[-] Dpo:鉱 石 の 粒 径[m] Dpc:コ ー ク ス の 粒 径[m] φo:鉱 石 の 表 面 係 数[-] φc:コ ー ク ス の 表 面 係 数[-] δ:鉱 石 と コ_ク ス の 容 積 比[m3(Ore)/m3(COke)] ao:鉱 石 量[m3(Ore)/ch] ω:鉱 石 層 の 割 合[m(Ore)/m(Ore+COke)] f:摩 擦 係 数[-] x:平 均 流 速 で 無 次 元 化 した ガ ス 流 速[-] ζ:IRGと 接 触 し う る 鉱 石 の 割 合[-] θ:IRGと 送 風 か ら発 生 す る ガ ス の 還 元 能 力 の 比 [-] ψ:循 環 ガ ス に 含 ま れ るIRGの 割 合[-] Uf1,Uf2,Uf3:発 生 ガ ス 量 に 換 算 し た 供 給 炭 化 水 素 の 量[Nm3/tHM] a1,b1,c1:CH2a1Ob1N2c1表 示 の 供 給 炭 化 水 素 組 成 [mol] a2,b2,c2:CH2a2Ob2N2c2[mol] a3,b3,c3:CH2a3Ob3N2c3[mol] Uo2:部 分 酸 化 用 酸 素 量[Nm3/tHM] Ur:循 環 ガ ス 量[Nm3/tHM] x11:循 環 ガ ス のCOモ ル 分 率[-] x21:循 環 ガ ス のCO2モ ル 分 率[-] x31:循 環 ガ ス のH2モ ル 分 率[-] x41:循 環 ガ ス のH20モ ル 分 率[-] U':IRGの 吹 き 込 み 量[Nm3/tHM] x12:IRGのCOモ ル 分 率[-] x22:IRGのCO2モ ル 分 率[-] x32:IRGのH2モ ル 分 率[-] x42:IRGのH20モ ル 分 率[-] x13:流 量 変 化 後 のIRGのCOモ ル 分 率[-] x23:流 量 変 化 後 のIRGのCO2モ ル 分 率[-] x33:流 量 変 化 後 のIRGのH2モ ル 分 率[-] x43:流 量 変 化 後 のIRGのH20モ ル 分 率[-] x14:送 風 か ら発 生 す る ガ ス のCOモ ル 分 率[-] x34:送 風 か ら発 生 す る ガ ス のH2モ ル 分 率[-] Uw:廃 ガ ス 量[Nm3/tHM] x15:廃 ガ ス のCOモ ル 分 率[-] x25:廃 ガ ス のCO2モ ル 分 率[-] x35:廃 ガ ス のH2モ ル 分 率[-] x45:廃 ガ ス のH2Oモ ル 分 率[-] am1:IRGが ソ リ ュ ー シ ョ ン ロス 反 応 を 起 こす 割 合 [-] ηcor:循 環 ガ ス のCO利 用 率[-] ηH2r:循 環 ガ ス のH2利 用 率[-] ηcow:廃 ガ ス のCO利 用 率[-] ηH2w:廃 ガ ス のH2利 用 率[-]
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C. R. M., No 29, December (1971), p.7
7) C. R. M., No 30 December (1972), p.1
8) 小 林, 中 谷, 岡 部, 宮 下: 鉄 と鋼, 56 (1970) 7,p.881
9) C. CRUSE, A. KERSCHBAUM,
W. MARSHALL, and
R. MOON: J. Metals, (1969) 11, p. 55
10) L. Von BOGDANDY:
Stahl u. Eisen, 82 (1962)
13, p. 869
11) W. WENZEL: 日 本 特 許 公 開 番 号47-2404, (1972) 12) R. JESHAR, etal.: Stahl u. Eisen, 91 (1971)
12, p.665
13) 杉 山, 清 水, 志 水: 化 学 工 学, 31 (1967), p.907 14) S. ERGUN: Chem. Eng. Prog., 48 (1952), p.89 15) 鈴 木, 小 林, 宮 下, 西 尾, 大 槻, 宮 本: 日 本 鋼 管
技 報, No 58 (1972) Decemberp. 14 16) 久 保 田, 明 畠: 化 学 工 学, 28 (1964), p.284 17) 安 藤, 福 島, 岸 本: 鉄 と 鋼, 57 (1971) 11, S661 18) 桑 原, 鞭: 鉄 と 鋼, 58 (1972) 11, S279
![Fig. 13. Redial distribution of are and gas speed [-]. トの 場 合 に は,中 心 の 鉱 石 層が 厚 く周 辺 流 が 強 い.こ れは実 際 操 業 の経 験 に一 致 す る.こ こで 得 たXの 分 布 に よ り,(32)式 か ら β を計 算 しIRGの初 期 浸透 深 さ(1-β)とU/(U+V)の関 係 を得 た のが,Fig.14であ り,周 辺流 の 強 い ペ レ ッ ト装 入の 場合 にIRGの浸 透深 さが](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123deta/6033847.583365/8.756.429.658.437.676/Fig験するこで得X分布りからβ算IRGり周.webp)
