JP2018168280A - コークスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成型炭の製造コストの上昇を抑制しながら、炭化室装炭時の成型炭の粉化を抑制できるコークス製造方法を提供する。【解決手段】粒径が１５ｍｍを超える成型炭をコークス炉の炭化室に装炭車から装入して乾留するコークスの製造方法であって、成型炭を２種以上の異なる強度に成型し、強度が高い成型炭から順に前記炭化室に装入する、コークスの製造方法。【選択図】図４

Description

本発明は、成型炭の粉化を抑制することで、高い生産性でコークスを製造するコークスの製造方法に関する。

高炉に装入されるコークスを製造する設備として室炉式コークス炉が広く使用されてきている。長年の使用によって老朽化している室炉式コークス炉には、複数の炭化室のうち、炉壁が損耗するなどして補修のために休止せざるを得ない炭化室が存在する場合がある。その場合、稼働可能な炭化室で従来と同程度の生産量を確保するべく、乾留時間に対する石炭装入量で表されるコークスの生産性を向上させることが望ましい。

特許文献１には、炭化室に装入される石炭の全てを、粘結力指数が７０〜９０であり、全膨張率が４０以下である非微粘結炭を４０質量％以上配合した配合原料炭を成型して得られる成型炭にしてコークスを製造する技術が開示されている。そして、炭化室に装入される石炭の全てを粉炭とした場合の石炭装入量を１とすると、炭化室に装入される石炭の全てを成型炭とすると石炭装入量は０．９となる一方で、装入される石炭の全てを粉炭とした場合の乾留時間を１とすると、全てを成型炭とした場合の乾留時間は０．７〜０．８に短縮されるので、全てを成型炭とした場合のコークス生産性は、全てを粉炭とした場合の１．１〜１．３倍となることが開示されている。

また、特許文献２には、石炭原料中の成型炭の割合を７０〜９５質量％とし、石炭原料中の粉状炭の割合を５〜３０質量％とすることで、コークスの生産性を向上できることが開示されている。

特許第４５０５０７４号公報 特開２０１６−２７１３８号公報

特許文献１によれば、炭化室に装入される石炭の全てを成型炭とすることで、粉状炭を炭化室に全量装入した場合よりもコークスの生産性を向上できる。また、特許文献２によれば、炭化室に装入する成型炭の割合を７０〜９５質量％にすることで、粉状炭を炭化室に全量装入した場合よりもコークスの生産性を向上できる。しかしながら、強度の低い成型炭を用いると、炭化室装入時の衝撃により成型炭が破壊、粉化されて炭化室内の成型炭の割合が減少し、コークスの生産性を向上できない可能性がある。この成型炭の粉化を抑制するためには、成型炭の強度を高めることが考えられるが、成型炭の強度を高めるには、添加するバインダーを増やすことが必要になり成型炭の製造コストが増加する。

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、成型炭の製造コストの上昇を抑制しながら、炭化室装炭時の成型炭の粉化を抑制できる方法で装炭してコークスを製造するコークスの製造方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は、以下の通りである。
（１）粒径が１５ｍｍを超える成型炭をコークス炉の炭化室に装炭車から装入して乾留するコークスの製造方法であって、前記成型炭を２種以上の異なる強度に成型し、強度が高い成型炭から順に前記炭化室に装入する、コークスの製造方法。
（２）粒径が１５ｍｍを超える成型炭をコークス炉の炭化室に装炭車から装入して乾留するコークスの製造方法であって、前記成型炭を２種以上の異なる強度に成型し、それぞれの成型炭について、落下高さと粉化比率の割合の関係を求め、それぞれの成型炭を、前記装炭車から前記炭化室の炉底までの落下高さ、または、前記装炭車から前記炭化室にすでに装入された成型炭層の上面までの落下高さが、前記落下高さと粉化比率の割合の関係に基づいて求めた成型炭の粉化比率が目標値となる落下高さより低くなった後に前記炭化室に装入する、コークスの製造方法。
（３）前記成型炭は、前記装炭車から前記炭化室の炉底までの高さを落下させた場合に粒径が１５ｍｍ以下となる粉化比率が２０質量％以下となる強度の高い成型炭と、前記装炭車から前記前記炭化室の炉底までの高さを落下させた場合に粒径が１５ｍｍ以下となる粉化比率が２０質量％を超える強度の低い成型炭と、を含み、前記強度の高い成型炭を炭化室に装入し、前記装炭車から前記炭化室にすでに装入された成型炭層の上面までの落下高さが、前記強度の低い成型炭の粒径が１５ｍｍ以下となる粉化比率が２０質量％以下になる落下高さよりも低くなった後に、前記強度の低い成型炭を前記炭化室に装入する、（１）または（２）に記載のコークスの製造方法。

本発明の実施により、強度の低い成型炭を用いる場合でも、装炭時の成型炭の粉化を抑制できる。これにより、成型炭の製造コストの上昇を抑制しつつ、炭化室装炭時の成型炭の粉化を抑制できる。

コークス炉の斜視図である。 成型炭の装入実験に用いた試験容器１０の斜視図である。 成型炭の粉化比率と、落下高さの関係を示すグラフである。 ２種類の成型炭を装入した場合の成型炭の粉化比率と、落下高さの関係を示すグラフである。 コークス炉の上面模式図である。

まず、室炉式コークス炉を用いて原料炭を乾留してコークスを製造する工程について説明する。図１は、コークス炉の斜視図である。コークス炉１は、蓄熱室が複数並べられて構成される蓄熱部２、及び、蓄熱部２の上に炭化室３と燃焼室４を複数有し、炭化室３と燃焼室４とは交互に隣接して並べられている。炭化室３と燃焼室４との上を、装炭車５がコークス炉１の炉長手方向Ｌに沿って走行する。図示は省略しているが、炭化室３の上壁には、装入孔が、コークス炉１の炉短手方向Ｓに沿って複数形成されており、装入孔を通じて、原料炭が炭化室３に装入される。炭化室３の両側には窯口３ａが設けられており、図示は省略しているが、窯口３ａは脱着可能な炉蓋で覆われている。炭化室３の一方の窯口３ａ側には押出機６が配置され、他方の窯口３ａ側にはガイド車８が配置され、押出機６とガイド車８とが炉長手方向Ｌに沿って走行する。

炭化室３では、装入された原料炭が乾留されてコークスとなる。原料炭を乾留するために、蓄熱部２の各蓄熱室から燃料ガスを燃焼室４に供給し燃焼させて、燃焼熱を燃焼室４に隣接する炭化室３に伝えることで、炭化室３を加熱する。燃焼室４での燃焼熱が隣接する炭化室３に伝わり、炭化室３の温度が上昇し、原料炭が乾留される。乾留が終了した後に、窯口３ａから炉蓋を取外し、押出機６の押出ラムを炭化室３に挿入し、押出ラムで、石炭の乾留で得られるコークスを炭化室３から押し出して、押出機６の反対側にあるガイド車８で受け止める。ガイド車８の下側には、蓄熱部２の前を炉長手方向Ｌに沿って走行可能な消火車９が配置されて、ガイド車８から消火車９がコークスを受ける。次いで、消火車９は、コークスを所定の場所まで移動する。

コークスを押出機６で押し出して、炭化室３が空となったら、装入孔を通じて装炭車５から再び原料炭を炭化室３に装入し乾留してコークスとし、コークスを炭化室３から押し出すという工程を繰り返して、コークス炉の操業を行う。

本実施形態に係るコークスの製造方法では、炭化室３へ装入される原料炭として粒径が１５ｍｍを超える２種以上の異なる強度の成型炭を用いて、強度が高い成型炭から順に炭化室３に装入する。すなわち、炭化室３に成型炭が装入されてなく、装入時の落下高さが高い場合には強度の高い成型炭を炭化室３に装入する。これにより、成型炭装入時の衝撃による成型炭の粉化を抑制できる。

一方、炭化室３に成型炭が装入されて装入時の落下高さが低い場合には強度の低い成型炭を炭化室３に装入する。炭化室３に成型炭が装入されることによって、成型炭の落下高さが低くなるとともに炭化室３に装入された成型炭による緩衝効果により、装入時に成型炭にかかる衝撃が緩和される。このため、炭化室３に強度の高い成型炭が装入された後であって、成型炭装入時の落下高さが低くなった後には、製造コストが低廉な強度の低い成型炭を炭化室３に装入する。これにより、成型炭製造コストの上昇を抑制できる。

なお、本実施形態における粒径とは、ＪＩＳ Ｚ ８８０１−１に準拠した公称目開きの篩を用いて篩分けされた粒径であり、例えば、粒径が１５ｍｍを超えるとは、ＪＩＳ Ｚ ８８０１−１に準拠した公称目開き１５ｍｍの篩を用いて篩上に篩分けされる粒径を意味し、１５ｍｍ未満とは公称目開き１５ｍｍの篩を用いて篩下に篩分けされる粒径を意味する。

このように、成型炭装入時の落下高さが高い場合には、炭化室３に強度の高い成型炭を装入し、成型炭装入時の落下高さが低い場合には、炭化室３に強度の低い成型炭を装入する。これにより、成型炭の製造コストの上昇を抑制しつつ、成型炭の粉化を抑制できる。

次に、成型炭の強度と、落下高さと、成型炭の粉化比率の関係を確認した成型炭の装入実験について説明する。図２は、成型炭の装入実験に用いた試験容器１０の斜視図である。試験容器１０は、幅寸法Ｌ１が４３０ｍｍ、高さ寸法Ｌ２が７５２０ｍｍ、長さ寸法Ｌ３が３０２０ｍｍの矩形の容器であり、高さ寸法Ｌ２は、一般的なコークス炉の炭化室に石炭を装入する場合の石炭の落下高さと同程度の高さを有している。試験容器１０の上面には開口部１２が設けられ、側面には、高さ１ｍごとに開閉可能な窓１４が複数設けられている。

成型炭の装入実験では、試験容器１０の開口部１２から成型炭を装入する。装入する成型炭は、縦４４ｍｍ、横４４ｍｍ、高さ３６ｍｍのマセック型の成型炭である。成型炭の圧潰強度は、バインダーであるＳＯＰの添加量を変えることで１．９ｋＮ、１．７ｋＮ、１．１ｋＮ、０．７ｋＮに調整した。成型炭の圧潰強度は、圧縮試験機を用いて圧縮速度１ｍｍ／ｍｉｎで成型炭を圧縮して測定される最大強度を圧潰強度とした。

試験容器１０を満たすまで開口部１２から成型炭を６ｔ装入した後、側面に設けられた窓１４から成型炭を採取し、成型炭の粉化比率を測定した。なお、本実施形態において、試験容器１０の窓１４から採取した全成型炭のうち、目開き１５ｍｍの篩を用いて篩下に篩分けられた成型炭は粉状炭になったとして、成型炭の粉化比率を、篩下質量と、全成型炭質量と、下記（１）式を用いて算出した。
粉化比率（質量％）＝［篩下質量（ｋｇ）／全成型炭質量（ｋｇ）］×１００・・（１）

図３は、成型炭の粉化比率と、落下高さの関係を示すグラフである。図３において、横軸は、粉化比率（質量％）であり、縦軸は、落下高さ（ｍ）である。図３によれば、落下高さが高くなるにつれて粉化比率は増加し、圧潰強度の高い成型炭は、粉化比率が低くなり、圧潰強度の低い成型炭は、粉化比率が高くなることがわかる。一般的なコークス炉の炭化室３に装入する際の高さである約８ｍの落下では、圧潰強度が１．７ｋＮ以上の成型炭では粉化比率が２０質量％以下となるが、圧潰強度が１．７ｋＮ未満の成型炭では粉化比率が２０質量％より大きくなった。

特許文献２によれば、炭化室３に装入された成型炭の割合を７０〜９５質量％にすることで高い生産性でコークスを製造できることが開示されている。例えば、炭化室３に成型炭を装入してコークスを製造する場合に、粉化比率を２０質量％以下に抑えることができれば、炭化室３の成型炭の割合を７０〜９５質量％の範囲内にすることができる。このため、炭化室３に成型炭が装入されてなく、落下高さが約８ｍである場合には、炭化室３に圧潰強度が１．７ｋＮ以上の成型炭を装入する。これにより、成型炭の粉化比率を２０質量％以下に抑えることができ、炭化室３の成型炭の割合を７０〜９５質量％の範囲内にすることができる。

一方、圧潰強度が１．７ｋＮ未満である１．１ｋＮの成型炭の粉化比率を２０質量％以下にするには、図３から成型炭の落下高さを５．５ｍ以下にすればよいことがわかる。同じく、圧潰強度が１．７ｋＮ未満である０．７ｋＮの成型炭の粉化比率を２０質量％以下にするには、成型炭の落下高さを４．２ｍ以下にすればよいことがわかる。

これらのことから、例えば、装炭車５から炭化室３の炉底までの落下高さ８．０ｍのコークス炉において、圧潰強度１．７ｋＮの高強度の成型炭と、圧潰強度１．１ｋＮの低強度の成型炭を用いた場合では、まず、圧潰強度１．７ｋＮの成型炭を高さ２．５ｍまで炭化室３に装入し、次に、圧潰強度１．１ｋＮの成型炭を炭化室３の上部まで装入することで、炭化室３に装入された成型炭の粉化比率を２０質量％以下にできることがわかる。

また、例えば、圧潰強度１．７ｋＮの高強度の成型炭と、圧潰強度０．７ｋＮの低強度の成型炭を用いた場合では、まず、圧潰強度１．７ｋＮの成型炭を高さ３．８ｍまで炭化室３に装入し、次に、圧潰強度０．７ｋＮの成型炭を炭化室３の上部まで装炭することで、炭化室３に装入された成型炭の粉化比率を２０質量％以下にできることがわかる。

このように、本実施形態に係るコークスの製造方法においては、装炭車５から炭化室３の炉底までの高さを落下させた場合に粒径が１５ｍｍ以下となる粉化比率が２０質量％以下となる圧潰強度の高い成型炭と、炭化室３の炉底までの高さを落下させた場合に粒径が１５ｍｍ以下となる粉化比率が２０質量％を超える強度の低い成型炭とを用いて、まず、圧潰強度の高い成型炭から炭化室３に装入し、装炭車から炭化室３にすでに装入された成型炭層の上面までの落下高さが、圧潰強度の低い成型炭の１５ｍｍ以下の粉化比率が２０質量％以下となる高さよりも低くなった後に、圧潰強度の低い成型炭を炭化室に装入する。上述したように、圧潰強度の低い成型炭を用いることで成型炭の製造コストの上昇を抑制できるので、成型炭の製造コストの上昇を抑制しつつ、成型炭装入時の成型炭の粉化を抑制できる。さらに、成型炭の粉化を抑制して成型炭の粉化比率を２０質量％以下とし、炭化室３に装入された成型炭の割合を７０〜９５質量％にすることで、高い生産性でコークスを製造できる、という効果が得られる。

図４は、２種類の成型炭を装入した場合の成型炭の粉化比率と、落下高さの関係を示すグラフである。図４において、横軸は粉化比率（質量％）であり、縦軸は落下高さ（ｍ）である。図４の実線は、圧潰強度１．７ｋＮの成型炭を試験容器１０に３ｔ装入し、次に、圧潰強度１．１ｋＮの成型炭を試験容器１０に３ｔ装入した場合の粉化比率を示す。また、図４の破線は、圧潰強度１．７ｋＮの成型炭を試験容器１０に３ｔ装入し、次に、圧潰強度０．７ｋＮの成型炭を試験容器１０に３ｔ装炭した場合の粉化比率を示す。

圧潰強度１．７ｋＮの成型炭を３ｔ装入し、次に、圧潰強度１．１ｋＮの成型炭を３ｔ装入した場合には、試験容器１０に圧潰強度１．７ｋＮの成型炭が４．０ｍまで装入されるので、圧潰強度１．１ｋＮの成型炭の落下高さは４．０ｍになる。このように、圧潰強度１．７ｋＮの成型炭を試験容器１０に半分装入することで、圧潰強度１．１ｋＮの成型炭の落下高さを５．５ｍ以下にできるので、図４に示すように、成型炭の粉化比率を２０質量％以下にすることができた。

また、圧潰強度１．７ｋＮの成型炭を３ｔ装入し、次に、圧潰強度０．７ｋＮの成型炭を３ｔ装入した場合には、圧潰強度１．７ｋＮの成型炭が４．０ｍまで装入されるので、圧潰強度０．７ｋＮの成型炭の落下高さは４．０ｍになる。このように、圧潰強度１．７ｋＮの成型炭を試験容器１０に半分装入することで、圧潰強度０．７ｋＮの成型炭の落下高さを４．２ｍ以下にできるので、図４に示すように、成型炭の粉化比率を２０質量％以下にすることができた。

なお、本実施形態において、成型炭の強度を圧潰強度で示したが、これに限られない。成型炭の強度として、圧潰強度に代えて、トロンメル強度やＩ型ドラム強度などの回転強度、シャッター強度、落下試験によって求められる粉率を用いてもよい。また、本実施形態では、２種の圧潰強度の成型炭を用いた例を示したが、これに限られず、２種以上の異なる圧潰強度の成型炭を用いて、圧潰強度の高い成型炭から順に炭化室３に装入することで、成型炭の製造コストの上昇を抑制しながら、炭化室装炭時の成型炭の粉化を抑制できる。

上記の例では、装炭車のホッパーの成型炭切り出し口から炭化室３の炉底までの落下距離が８．０ｍであり、成型炭の粉化比率の目標値を２０％以下とした例について説明したが、これに限られない。特に、成型炭の粉化比率の目標値は、求められるコークスの生産性の向上度合いに応じて任意の値としてよい。コークス原料として用いる成型炭について、予め落下高さと粉化比率の関係を求めておけば、その関係に基づいて、粉化比率の目標値となる落下高さを定めることができる。そして、それぞれの成型炭を、装炭車から炭化室３の炉底まで、または、炭化室３にすでに装入された成型炭層の上面までの落下高さが、粉化比率の目標値となる落下高さよりも低くなった後に装炭室３に装入すれば、成型炭の粉化比率は目標値より小さくなり、炭化室装炭時の成型炭の粉化を好適に抑制できる。

成型炭は、一般に粉砕した石炭をバインダーと混合し、成形機を用いて成型することによって製造される。成型炭の強度には、バインダーの量、バインダーの種類、成型条件、水分量、石炭の粒度などが影響するので、これら因子を変更することによって成型炭の強度は変更できる。また、成型炭には、石炭以外に、粉コークス、オイルコークス類、粘結材、プラスチック類、油類、バイオマスなどが含まれていてもよい。

次に、コークス炉の炭化室に２種類の圧潰強度の成型炭を装炭して乾留を行い、コークスを製造した実施例を説明する。図５は、コークス炉の上面模式図である。本実施例では、２種類の異なる圧潰強度の成型炭を、圧潰強度の高い順に試験窯２６に装入する。このため、成型工場２０では、圧潰強度の低い成型炭と、圧潰強度の高い成型炭とが成型される。成型工場２０で成型された圧潰強度の低い成型炭は、例えば、石炭塔２２に搬送され、圧潰強度の高い成型炭は、例えば、石炭塔２４に搬送される。装炭車５は、まず、石炭塔２４から圧潰強度の高い成型炭を受け取り、試験窯２６に半分装入する（１回目装炭）。次に、装炭車５は、石炭塔２２から圧潰強度の低い成型炭を受け取り、試験窯２６に半分装入し（２回目装炭）、試験窯２６内で成型炭を乾留してコークスを製造した。表１に本実施例における装炭条件および評価結果を示す。

表１における「１回目装炭」の列は、１回目に試験窯２６に装炭した成型炭の圧潰強度（ｋＮ）を示す。「２回目装炭」の列は、２回目に試験窯２６に装炭した成型炭の圧潰強度（ｋＮ）を示す。「押出負荷」の列は、押出ラムを駆動するモータにかかる電流値を用いて算出したコークスの押出し性を示す指標であって、比較例１を１００として規格化した値を示す。「乾留」の列に示した「○」は、比較例１と同じ乾留時間で成型炭が十分に乾留されたことを示し、「×」は、比較例１と同じ乾留時間で成型炭が十分に乾留されなかったことを示す。

比較例１では、１回目装炭および２回目装炭ともに圧潰強度１．７ｋＮの成型炭を試験窯２６に装入して乾留した。比較例１は、押出負荷の増加も見られず、成型炭は十分に乾留されていた。しかしながら、圧潰強度が１．７ｋＮの成型炭を全量用いているので、成型炭製造時にバインダーの使用量が増加し、成型炭の製造コストが上昇した。

比較例２では、１回目装炭および２回目装炭ともに圧潰強度１．１ｋＮの成型炭を試験窯２６に装入して乾留した。比較例２では、１回目の装炭時に成型炭が粉化し、試験窯２６の底部において成型炭の嵩密度が上昇した。このため、コークスと炉壁との隙間が減少して押出負荷が増加し、また、成型炭の嵩密度が上昇したために、成型炭が十分に乾留されなかった。

比較例３では、１回目装炭および２回目装炭ともに圧潰強度０．７ｋＮの成型炭を試験窯２６に装入して乾留した。比較例３では、１回目の装炭時に成型炭が粉化し、試験窯２６の底部において成型炭の嵩密度が上昇した。このため、コークスと炉壁との隙間が減少して押出負荷が増加し、また、成型炭の嵩密度が上昇したために、成型炭が十分に乾留されなかった。

発明例１では、１回目装炭で圧潰強度１．７ｋＮの成型炭を試験窯２６に装入し、２回目装炭で圧潰強度１．１ｋＮの成型炭を試験窯２６に装入して乾留した。発明例１では、押出負荷の増加も見られず、成型炭は十分に乾留されていた。また、２回目装炭では、圧潰強度が１．１ｋＮの成型炭を用いているので、成型炭製造時におけるバインダーの使用量を抑制でき、成型炭の製造コストの上昇も抑制できた。

発明例２では、１回目装炭で圧潰強度１．７ｋＮの成型炭を試験窯２６に装入し、２回目装炭で圧潰強度０．７ｋＮの成型炭を試験窯２６に装入して乾留した。発明例２では、押出負荷の増加も見られず、成型炭は十分に乾留されていた。また、２回目装炭では、圧潰強度が０．７ｋＮの成型炭を用いているので、成型炭製造時におけるバインダーの使用量を抑制でき、成型炭の製造コストの上昇も抑制できた。

１ コークス炉
２ 蓄熱部
３ 炭化室
３ａ 窯口
４ 燃焼室
５ 装炭車
６ 押出機
８ ガイド車
９ 消火車
１０ 試験容器
１２ 開口部
１４ 窓
２０ 成型工場
２２ 石炭塔
２４ 石炭塔
２６ 試験窯

Claims (3)

1. 粒径が１５ｍｍを超える成型炭をコークス炉の炭化室に装炭車から装入して乾留するコークスの製造方法であって、
   前記成型炭を２種以上の異なる強度に成型し、
   強度が高い成型炭から順に前記炭化室に装入する、コークスの製造方法。
2. 粒径が１５ｍｍを超える成型炭をコークス炉の炭化室に装炭車から装入して乾留するコークスの製造方法であって、
   前記成型炭を２種以上の異なる強度に成型し、
   それぞれの成型炭について、落下高さと粉化比率の割合の関係を求め、
   それぞれの成型炭を、前記装炭車から前記炭化室の炉底までの落下高さ、または、前記装炭車から前記炭化室にすでに装入された成型炭層の上面までの落下高さが、前記落下高さと粉化比率の割合の関係に基づいて求めた成型炭の粉化比率が目標値となる落下高さより低くなった後に前記炭化室に装入する、コークスの製造方法。
3. 前記成型炭は、前記装炭車から前記炭化室の炉底までの高さを落下させた場合に粒径が１５ｍｍ以下となる粉化比率が２０質量％以下となる強度の高い成型炭と、
   前記装炭車から前記前記炭化室の炉底までの高さを落下させた場合に粒径が１５ｍｍ以下となる粉化比率が２０質量％を超える強度の低い成型炭と、を含み、
   前記強度の高い成型炭を炭化室に装入し、
   前記装炭車から前記炭化室にすでに装入された成型炭層の上面までの落下高さが、前記強度の低い成型炭の粒径が１５ｍｍ以下となる粉化比率が２０質量％以下になる落下高さよりも低くなった後に、前記強度の低い成型炭を前記炭化室に装入する、請求項１または請求項２に記載のコークスの製造方法。