JP2003129058A - コークス乾式消火装置における木質系及び／または農業系バイオマスの利用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 バイオマスを使用することで、コークス性状
に影響を与えずにコークス歩留まりを向上させる方法を
提供する。 【解決手段】 バケット車が高温のコークスがコークス
乾式消火設備のプレチャンバー２内に投入された後に又
はコークスの投入と同時にバイオマスを投入して、コー
クスと空気との接触を遮断することでコークス燃焼ロス
を減少させ、コークス性状への影響なくコークス歩留ま
りを向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バイオマスの炭素
源としての利用技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】地球温暖化問題への対応は、新エネルギ
−の開発・実用化、低二酸化炭素発生エネルギーへのシ
フト、原子力比率の向上、既存一次エネルギーの効率的
かつ合理的利用、未利用エネルギーや廃棄物エネルギー
の利用等で進められている。特にバイオマスはカーボン
ニュートラルであり、地球温暖化防止京都会議（ＣＯＰ
３；The 3rd session of the Conference Of the Part
y）での国際公約を達成する意味でも積極的に使用して
石油、石炭等を代替すべき資源であるといえる。バイオ
マスとは生物量の総称であり、ＦＡＯ（国連食糧農業機
関）によれば、農業系（麦わら、サトウキビ、米糠、草
木等）、林業系（製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪
炭林等）、畜産系（家畜廃棄物）、水産系（水産加工残
滓）、廃棄物系（生ゴミ、ＲＤＦ（ゴミ固形化燃料；Re
fused Derived Fuel）、庭木、建設廃材、下水汚泥）等
に分類される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】コークス炉は外熱式加
熱炉であり、熱効率を向上させるために必然的に大型化
していることや過去の省エネルギー技術開発により、エ
ネルギー回収技術としては非常に進んだ設備となってい
る。エネルギー回収技術の主な方式がコークス乾式消火
設備（ＣＤＱ）を用いる方式であり、コークスを大容量
の循環ガス（ほとんど窒素）で冷却し、循環ガスの得た
熱で蒸気を発生して蒸気タービンを動作させて電力とし
て回収している。一方、昨今のＣＯ₂削減ニーズから、
一段とコークス歩留まり向上やコークス炉関連設備省エ
ネルギー要請が高まっている。熱回収にしても現在では
回収の難しい低温の排熱しか残っておらず、画期的な省
エネルギー、ＣＯ₂削減手段がないのが現実である。ま
た、ガス成分の安定化を目的とした、特開平6-336588号
公報「コークスの製造方法並びに蒸気回収方法とその回
収設備」、特開平7-145377号公報「コークス製造方法及
びその製造設備」、特開平7-242879号公報「コークス乾
式消火装置における酸化性ガスの吹き込み方法」等に見
られる、プレチャンバーへの空気導入を行うことで、コ
ークス歩留まりが低下するというデメリットがある。

【０００４】本発明では、コークス歩留まりを向上させ
ながら、カーボンニュートラルの特性を持つバイオマス
をエネルギー化（ガスエネルギーは燃料ガス、電力に使
用する。固体残渣はコークスとして燃料に使用する。）
する方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決したバイオマス利用方法であって、〔１〕コークス乾
式消火装置における、赤熱コークスの投入空間であるプ
レチャンバーに、空気を導入させながら、木質系及び／
または農業系バイオマスを投入することを特徴とする、
コークス乾式消火装置における木質系及び／または農業
系バイオマスの利用方法、〔２〕間欠的になされるコー
クス乾式消火装置へのコークスの投入と投入の間に、プ
レチャンバー内のコークスの上にバイオマスを投入する
ことを特徴とする、〔１〕に記載のコークス乾式消火装
置における木質系及び／または農業系バイオマスの利用
方法、〔３〕間欠的になされるコークス乾式消火装置へ
のコークスの投入と同時にプレチャンバー内にバイオマ
スを投入することを特徴とする、〔１〕に記載のコーク
ス乾式消火装置における木質系及び／または農業系バイ
オマスの利用方法、〔４〕コークス乾式消火装置上部コ
ークス投入口またはプレチャンバーに設置された１また
は２以上の投入口からバイオマスを投入することを特徴
とする、〔２〕または〔３〕に記載のコークス乾式消火
装置における木質系及び／または農業系バイオマスの利
用方法。〔５〕コークス乾式消火装置上部コークス投入
口またはプレチャンバーに設置された１または２以上の
投入口から窒素及び／または循環ガスを搬送ガスとして
気流搬送によってバイオマスを投入することを特徴とす
る、〔２〕または〔３〕に記載のコークス乾式消火装置
における木質系及び／または農業系バイオマスの利用方
法、〔６〕プレチャンバーに設置された１または２以上
の投入口から空気を搬送ガスとして用いて気流搬送によ
ってバイオマスを投入することを特徴とする、〔２〕ま
たは〔３〕に記載のコークス乾式消火装置における木質
系及び／または農業系バイオマスの利用方法、からな
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明では、農業系と木質系バイ
オマスを対象としている。本明細書において、バイオマ
スについての定義は上記ＦＡＯの定義に準ずる。すなわ
ち、農業系バイオマスとは、ＦＡＯ定義における農業系
バイオマスを指し、麦わら、サトウキビ、米糠、草木等
が該当する。加えて、木質系バイオマスとは、ＦＡＯ定
義における林業系バイオマスと、廃棄物系バイオマスの
一部を指し、製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪炭
林、庭木、木材などの建設廃材、などが該当する。これ
らを使用するのは、含有水分が少なく（〜５０質量％)
湿分基準の発熱量も高いため、赤熱コークス顕熱のみ
で、乾留に必要な熱量以上のガス、固体エネルギーを回
収できるからである。農業系、木質系以外のバイオマス
に関しても、基本的に保有湿分基準発熱量が、水分の気
化熱＋バイオマス自身の顕熱上昇＋分解熱以上であれ
ば、有効なエネルギー源になりうる。

【０００７】バイオマスをＣＤＱに投入すると、赤熱コ
ークスの顕熱で揮発分が脱離する。また、プレチャンバ
ーにはコークス投入時の空気巻き込みや、ガス性状適正
化のための空気投入により、空気が存在しており、赤熱
化したコークスの温度でプレチャンバー内の炭素（揮発
分、コークス、バイオマス）が空気と反応して消費され
る。本発明では、バイオマスを使用しており、バイオマ
スの熱分解（揮発）反応が早い特性により、従来空気と
反応（燃焼）していたコークスに代わり、バイオマスが
優先的に反応する。次に、プレチャンバーに全量の燃焼
に必要な量の空気が存在しないこと、コークスあるいは
バイオマスが定期的にプレチャンバーに投入されるた
め、前回投入のコークスあるいはバイオマスはプレチャ
ンバー内ガス、空気と遮断されることにより、早い時期
に酸素のない還元雰囲気となる。この雰囲気下で、未反
応バイオマスは熱分解（乾留）され、ガスが生成すると
ともに、炭素分が多い固形分が生成する。バイオマス残
渣は、燃焼性、着火性に優れ、他の性状もコークスに比
べ遜色ないため、コークスとしての使用が可能である。
従って、バイオマスの使用により、バイオマス由来の固
形分だけコークス量が増加することになり、必要コーク
ス量が一定であればその分石炭由来のコークス生産量を
削減できる。

【０００８】本発明の作用、効果を明らかにするため
に、まず、図３を元にＣＤＱの通常操業例を示す。コー
クス炉で製造された約８００〜１０００℃のコークス
は、押し出し機でバケット車に押し出され、ＣＤＱ設備
まで搬送された後、ＣＤＱ設備上部の上蓋１を開けて、
プレチャンバー２に投入される。上蓋１で塞がれていた
部分を上部コークス投入口とする。プレチャンバー内に
入った高温のコークス３は循環ガス４により徐々に冷却
されて、２００℃程度まで冷却される。熱は窒素を主成
分とする循環ガスにより熱交換器５（ボイラー）で熱回
収され、その熱で作られた蒸気で蒸気タービン６を動か
して発電する。このとき残存揮発分等や粉コークスが熱
交換器に到達してコーキングや伝熱阻害のトラブルを生
じさせないために、プレチャンバー２から出た後のガス
の排出口であるリングダクト８近傍で空気９（外気）を
追加して完全燃焼させている。またプレチャンバー２へ
は、空気投入口７から空気が投入されるが、プレチャン
バー２内の炭素分（コークスから生成した揮発分、粉状
コークス、塊状コークス）と反応し、燃焼して二酸化炭
素と水を生じる。ここで、空気投入口７から投入される
空気量は特に規定するものではなく、通常行っているガ
ス性状適正化のために必要な空気投入量であればよい。
生成した二酸化炭素や水はさらに周囲の炭素分と反応し
て一酸化炭素や水素となり、循環ガス４と合流してリン
グダクト８で完全燃焼された後、高温ガスとして熱交換
器５で熱回収される。図中には、コークスの移動を太線
で、ガスの移動を細線で示した。

【０００９】図１にバイオマス投入例−１を示す。コー
クス投入は数分〜数１０分間隔で行われるバッチ投入で
あるため、投入タイミングのとりやすいコークスの投入
と投入の間にバイオマスを投入している。投入と投入の
間とは、あるロットのコークスの投入時にバケット車内
にコークスが無くなった時点から、次のロットのコーク
ス投入時にバケット車下部の開放が始まった時点までを
いう。バイオマスの投入位置は、コークス投入口１０か
らの場合と、新規にバイオマス投入口１１を設置する場
合がある。投入方法は、各投入位置で、スクリューフィ
ーダー、テーブルフィーダー等の切り出し装置で自重に
よって落下させる方法と、循環ガス４の一部または窒素
ガスを用いるか、または空気投入口７への空気で搬送し
て吹き込む方法がある。循環ガスの場合、ガス温度が下
がった時点、たとえば循環用のブロワ後のガスを一部分
岐してバイオマス投入口１０まで配管し、テーブルフィ
ーダー等の切り出し設備と組み合わせて使用する。窒素
ガスの場合は、外部より窒素を配管でバイオマス投入口
１０まで引き、同様に切り出し設備と組み合わせて使用
する。気流搬送の優位性は、より少ない投入口数で分散
範囲を拡大できることから、自重落下の場合より層厚み
の均一性が増す（後述のコークス投入と同時の場合は、
分散性の向上）ことにある。また、搬送ガスに循環ガス
４を使用することで、窒素使用のコストデメリットを最
小限にすることが可能である。投入量に関しては、コー
クス投入と投入の間に入れる場合は、ＣＤＱ通過時間内
にすべてのバイオマスを反応させる伝熱からの条件（Ｃ
ＤＱ内で層状に存在し、上下の赤熱コークスから熱を受
ける）として、１５０ｍｍ程度の厚み以下に保つ量であ
ることが望ましい。後述の、同時に投入する場合は、厚
みからの制約はなく、後段の発電用熱交換器５のガス側
温度低下の許容範囲（熱交換効率低下の許容限度）まで
投入可能である。投入量上限は、未反応バイオマスがコ
ークスに混在したままＣＤＱから排出されない条件、す
なわちＣＤＱでバイオマスの乾燥・炭化が十分進むバイ
オマス層厚み及び伝熱条件から、コークス量の４割程度
まで（水分による）投入可能であり、この関係を元に適
宜投入量を設定すればよい。投入量下限はない。バイオ
マス投入口１１からの投入の場合、未反応バイオマス量
を減少させるために、なるべく均一・層状にプレチャン
バー内に堆積させる目的で、２箇所以上の投入口を確保
するのが望ましい。通常は４箇所から１６箇所程度に設
定される。コークス層１２は、投入されたバイオマス層
１３と交互にサンドイッチ状のままＣＤＱ内を下降し、
下部から順次排出される。プレチャンバー２に投入され
たバイオマスは、コークス層を一部覆うことや、投入空
気と優先的に反応するために、空気投入口７からの空気
とコークスとの接触機会を低減させ、投入空気によるコ
ークスの燃焼量を低減する。生成した二酸化炭素や水蒸
気がコークス層１２を通過する際には、従来と同様な反
応を起こし、一酸化炭素や水素を生成する。

【００１０】図２にバイオマス投入例−２を示す。投入
例−１との違いは、コークス投入時に同時に投入するこ
とで、投入場所、投入方法の種類は投入例−１と同じで
ある。「同時に投入する」とは、あるロットのコークス
がバケットから落下開始した時点から落下終了した時点
までの間にバイオマス投入を終了させるという意味であ
り、同じ時間帯に投入することにより、コークス落下時
の拡散を利用してコークスと平均的に混合させることで
バイオマスと空気の接触する部分を多くさせ、またコー
クスと比較して優先的に空気と反応するために、コーク
スと空気との反応を抑制させることができる。図中では
コークス・バイオマス混合層１４として模式化してい
る。

【００１１】

【実施例】表１にバイオマス投入結果を示す。コークス
投入と投入の間にコークス投入口からバイオマスを自重
落下投入させた時の結果を、本法を用いた結果−１に、
コークスの投入と同時にバイオマス投入口（８カ所）か
ら窒素搬送投入させた時の結果を、本法を用いた結果−
２に示した。使用サンプルは木質系バイオマスで、水分
１５％のものを使用した。コークス投入と投入の間にバ
イオマスを投入した本法を用いた結果−１では、バイオ
マス層は計算上は平均１２０ｍｍ程度の厚みとなった。
また、結果比較のため、本法を用いた結果−２での投入
量を、本法を用いた結果−１と同じにした。コークス回
収率の増加をもって、バイオマス有効利用の指標とす
る。コークス回収率とは、乾式消火装置上部から投入し
たコークス質量に対し、下部から排出されたコークス質
量の割合であり、バイオマス由来の炭化物質量が排出コ
ークス質量も加算される。また、排出粉コークス量は、
塊状のコークスがＣＤＱ内降下時に粉化して生成したも
の及びバイオマス残渣（炭化物）がＣＤＱ下部から排出
された合計値で、排出コークス質量の外数である。

【００１２】

【表１】

【００１３】バイオマス投入により、コークス回収率が
向上したのがわかる。コークス量の５％バイオマスを加
えることで、コークスとしての回収率がそれぞれ０．７
％（本法を用いた結果−１）、１．０％（本法を用いた
結果−２）上昇した。投入方式に関しては、均一に混合
した場合（本法を用いた結果−２）の方が、コークス回
収率が高かった。また、排出コークスが増加した分とほ
ぼ同量の排出粉コークス量が減少しているのは、空気と
塊状コークスが、直接接触して燃焼していた部分があっ
たのに対し、バイオマスの均一分散化によってバイオマ
スと空気の接触する部分を多くさせ、またコークスと比
較して優先的に空気と反応するために、塊状コークスと
空気との反応を抑制させることで、反応をしやすい粉状
コークスも反応が進んだためと考えられる。これらの結
果から、コークス生産量を一定とした場合、回収率が向
上するため、石油由来のコークスの削減が可能で（たと
えば本法を用いた結果−２の１.０％）、さらに言えば
コークスの原料である石炭の削減が可能であることを意
味する。また、操業に関しても、バイオマス投入による
ガス量変動も小さく、操業には全く問題なかった。

【００１４】

【発明の効果】バイオマスをコークス乾式消火設備に投
入することで、コークス歩留まりを向上した上でコーク
ス乾式消火設備の操業に悪影響を与えることなくバイオ
マスの有効利用ができた。また、ＣＤＱ内で生成したバ
イオマス由来の揮発分も、その顕熱と燃焼熱がＣＤＱの
ボイラで回収されており、バイオマスのＣＤＱでの有効
利用が検証できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】バイオマス投入例−１

【図２】バイオマス投入例−２

【図３】ＣＤＱ操業

【符号の説明】

１：上蓋 ２：プレチャンバー ３：コークス ４：循環ガス ５：熱交換器 ６：蒸気タービン ７：空気投入口 ８：リングダクト ９：二次空気 １０：コークス投入口 １１：バイオマス投入口 １２：コークス層 １３：バイオマス層 １４：コークス・バイオマス混合層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野田 正巳 富津市新富20−１ 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内 Ｆターム(参考） 4H012 DA01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コークス乾式消火装置における、赤熱コ
   ークスの投入空間であるプレチャンバーに、空気を導入
   させながら、木質系及び／または農業系バイオマスを投
   入することを特徴とする、コークス乾式消火装置におけ
   る木質系及び／または農業系バイオマスの利用方法。
2. 【請求項２】 間欠的になされるコークス乾式消火装置
   へのコークスの投入と投入の間に、プレチャンバー内の
   コークスの上にバイオマスを投入することを特徴とす
   る、請求項１に記載のコークス乾式消火装置における木
   質系及び／または農業系バイオマスの利用方法。
3. 【請求項３】 間欠的になされるコークス乾式消火装置
   へのコークスの投入と同時にプレチャンバー内にバイオ
   マスを投入することを特徴とする、請求項１に記載のコ
   ークス乾式消火装置における木質系及び／または農業系
   バイオマスの利用方法。
4. 【請求項４】 コークス乾式消火装置上部コークス投入
   口またはプレチャンバーに設置された１または２以上の
   投入口からバイオマスを投入することを特徴とする、請
   求項２または請求項３に記載のコークス乾式消火装置に
   おける木質系及び／または農業系バイオマスの利用方
   法。
5. 【請求項５】 コークス乾式消火装置上部コークス投入
   口またはプレチャンバーに設置された１または２以上の
   投入口から窒素及び／または循環ガスを搬送ガスとして
   気流搬送によってバイオマスを投入することを特徴とす
   る、請求項２または請求項３に記載のコークス乾式消火
   装置における木質系及び／または農業系バイオマスの利
   用方法。
6. 【請求項６】 プレチャンバーに設置された１または２
   以上の投入口から空気を搬送ガスとして用いて気流搬送
   によってバイオマスを投入することを特徴とする、請求
   項２または請求項３に記載のコークス乾式消火装置にお
   ける木質系及び／または農業系バイオマスの利用方法。