成果報告書詳細
管理番号20090000000269
タイトル平成18年度-平成20年度成果報告書 エネルギー使用合理化技術戦略的開発/エネルギー使用合理化実用化開発/資源・環境調和型高炉用塊成鉱『ハイブリッド結合鉱石』の実用化研究
公開日2009/9/15
報告書年度2006 - 2008
委託先名株式会社神戸製鋼所
プロジェクト番号P03033
部署名省エネルギー技術開発部 研究開発グループ
和文要約我国鉄鋼業の国際競争力維持のために必要な鉄鉱石および石炭資源への柔軟な対応とCO2削減への対応に向けて、資源・環境調和型高炉用塊成鉱『ハイブリッド結合鉱石』の実用化研究を平成18-20年度において実施した。ハイブリッド結合鉱石は、石炭が軟化溶融し可塑性を有する400-600℃の温度域で鉄鉱石と混合・加圧成型した新しい塊成鉱であり、鉄鉱石と炭素質(還元剤)の隣接化により、鉄鉱石の還元反応と還元ガスの再生反応が連鎖的に起こり、還元反応を高速化・低温化し、還元材比低減の効果を有する。また、焼結鉱やペレット鉱のような通常の焼成鉱(1000℃以上の高温で塊成化する)に比べて低温での処理であり、製造時のCO2排出量の低減も期待でき、製造および高炉使用の両面でCO2排出量を大幅に削減する可能性を有している。 ハイブリッド結合鉱石の実用化に際し以下の3つの課題がある。第1は高炉使用に関して適正な成型寸法を明らかにすること。第2は安定して高炉に装入する技術、第3は高炉操業における省エネルギー効果の評価である。 (1)成型寸法:鉱石層にコークスを添加した高炉操業結果を基にハイブリッド結合鉱石の還元促進作用を評価し、CFD解析から本作用領域がハイブリッド結合鉱石周囲の狭い領域に限られることを明らかにした。還元促進効果は鉱石層中における本作用領域の分散度、即ち個数に依存する。ここで、10%使用において目標とする還元材比低減効果が得られる個数比(通常鉱石/ハイブリッド結合鉱石)10となることから通常鉱石と同等径とした。 (2)高炉装入技術:同等粒径の通常鉱石とハイブリッド結合鉱石は、ほぼ同様の装入物分布特性を有する。したがって、高炉装入前に均一混合しておけば、装入過程における偏析は抑制され、鉱石層に均一に分散された状態で装入できる。現行の高炉操業においては、原料槽から切り出された各種原料は高炉炉頂ホッパーまでの搬送経路におけるハンドリング過程によってほぼ均一に混合される。10%程度であれば、現行の装入方法と条件でハイブリッド結合鉱石の均一装入は可能と判断された。 (3)省エネルギー効果の評価:配合率3%での実高炉装入試験においては、圧損や熱損の増大ならびに炉頂設備や排ガス処理設備での不具合といった高炉への悪影響は認められず、ハイブリッド結合鉱石が含有する石炭由来のタール分についても炉外への排出(高炉炉頂ガス湿式除塵設備の洗浄水への移行)は認められなかった。炉頂でのガス利用率の向上と溶銑温度の上昇が認められたが、リスト線図を用いた熱・物質収支解析により溶銑温度一定下では3.2kg-C/t-銑鉄の高炉還元材比低減効果と推定された。また、炉内反応として、700-800℃の領域でブードワール反応平衡に近づく現象が炉内ガス組成と温度の同時測定の結果から得られた。これらの結果から、配合率10%における還元材比低減効果は、(1)還元材比低減量の配合率比例を仮定して11kg-C/t-銑鉄、(2)ガス利用率向上の配合率比例を仮定して18kg-C/t-銑鉄と推測され、還元材比低減効果は当初試算の24kg-C/t-銑鉄に対して実高炉装入試験結果からの推定値は11~18kg-C/t-銑鉄となった。この結果から製銑工程での省エネルギー性は約5%と試算される。
英文要約Title:FY2006-2008 (Final Report) Development of Hybrid Briquetted Agglomerate as Resource- and Environment-Harmonized Raw Material for Blast Furnaces. To maintain international competitiveness, the Japanese steel industry needs to be able to flexibly use ores and coals from different sources and to reduce CO2 emissions at the same time. "Hybrid Briquetted Agglomerates" (HBAs) produced by mixing and compressing coal and iron ore at temperatures between 673K and 873K, the range in which coal starts to soften, allow reductive reaction to occur faster at lower temperatures and reduce the required ratio of the reductant. By improving contact between the iron ore and coal, the agglomerates promote reduction of iron ore and the regeneration of reductive gas. Compared to conventional agglomerated ores, which are produced at temperatures higher than 1273K, HBAs are produced at much lower temperatures with reduced CO2 emission. Thus HBAs are expected to reduce CO2 emission not only during the reduction process in blast furnaces but also during their preparation. Three factors are considered to affect the industrial use of HBAs: (1) the size of HBAs; (2) the method for charging HBAs into blast furnaces; and (3) energy saving performance during the blast furnace operation. The size of HBAs:.(1) the effect of promoting the reduction by HBAs is evaluated based on blast furnace operation results that coke is added into ore layer, (2) CFD analysis makes clear that it is limited to a narrow region around HBAs, (3) so, it depends on the degree of dispersion of HBAs in ore layer, i.e., the ratio of particle number in ore layer. Here, the ratio of particle number of 10 corresponding to the target improvement with the mixture ratio of 10% HBAs obtained by making the HBAs size close to the size of conventional agglomerates.. The proper size of HBAs is equivalent to the size of conventional agglomerates. The method for charging HBAs: HBAs of equivalent size to conventional agglomerates has similar burden distribution characteristics, uniform mixing state of HBAs in ore layer can be achieved with pre-mixing. In the transport process from the raw material hopper to the charging device, HBAs is naturally is mixed with others. So, the conventional charging method is valid to uniform mixing state of HBAs. Energy saving performance during the blast furnace operation: the test operation of commercial blast furnace with the mixture ratio of 3% HBAs is carried out. No adverse effect, such as obstruction of permeability, increase of heat loss and emissions of tar out of the furnace, was observed. The increase of gas utilization degree and temperature of pig iron are recognized. Mass and heat balance analysis with Rist's diagram estimates 3.2kg-C/t of decrease of reducing agent rate (RAR). Gas composition at 973K to 1073K becomes closer to equilibrium of gasification reaction. It is estimated by these results that RAR with the mixture ratio of 10% HBAs is reduced 11 to 18 kg-C/t. Estimated energy saving performance is about 5% in ironmaking process.
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