JP2004231680A

JP2004231680A - コークス炉ガスの発生量および熱量の予測方法ならびに情報処理方法および情報処理装置

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Publication number: JP2004231680A
Application number: JP2003018475A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Nishifuji; 将之西藤; Kouji Saito; 公児齋藤; Yuji Fujioka; 裕二藤岡; Yuuji Ishiharaguchi; 裕二石原口; Makoto Ueki; 誠植木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-28
Also published as: JP4050989B2

Abstract

【課題】コークス製造時に発生するガスの発生量と熱量を石炭の乾留により発生するガスを実測して配合に従って補正することで高精度に推定する。
【解決手段】実際のコークス炉内の石炭の最高加熱温度および昇温速度に基づき原料の石炭を銘柄別に加熱炉心内で乾燥した不活性ガス気流中で加熱し、発生するガスを成分別に定量する工程、銘柄別石炭の成分別発生ガス量に基づき原料の石炭の銘柄別の構成比に応じ、原料石炭からの発生ガス量を成分別に算出する工程、原料石炭からの成分別発生ガス量に基づきコークス炉ガスの発生量を予測する工程、銘柄別石炭の成分別発生ガス量に各成分の単位量当たりのガス燃焼熱量を乗じて銘柄別石炭の熱量を求め、原料の石炭の銘柄別の構成比に応じ原料石炭の熱量を算出する工程、原料の石炭の熱量に基づきコークス炉ガスの熱量を予測する工程からなるコークス炉ガスの発生量および熱量の予測方法。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭のコークス化時における発生ガスの発生量および熱量を精度よく予測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の高炉による製鉄プロセスにおいては、原料である鉄鉱石を効率よく還元するために、石炭（通常は、複数銘柄の石炭を配合して利用）を乾留し、強固化したコークスが利用されている。製造されたコークスは、高炉内において、ガス流れを確保するための隙間を作るとともに、自身が鉄鉱石の還元材として働く。
【０００３】
石炭のコークス化は、コークス炉と呼ばれる１０００℃程度に温度管理された炉内において、石炭を乾留（蒸し焼き）して行われる。このコークス化工程では、コークスが製造されることに加え、石炭の一部が熱分解されてコークス炉ガス（ＣＯＧ）やタールが発生する。ＣＯＧは、製鉄所内あるいは所外において燃料ガスとして利用されている。なお、同時に産出するタールは、化学製品などに利用されている。
【０００４】
従って、製鉄所における石炭のコークス化工程においては、主製品であるコークスの品質維持に加え、副製品であるＣＯＧの発生量や熱量が一定水準以上になるように管理することが重要である。ＣＯＧのエネルギーが不足する場合は、一般燃料ガスや重油、電力などを別に購入することが必要となり、製鉄コストを高くする原因となる。そこで、製鉄コスト低減の面から、使用する石炭から発生するＣＯＧの発生量および熱量を予測し、これらが不足することのないようにコークス製造の操業条件を制御する必要がある。
【０００５】
ＣＯＧの発生量を予測する手法としては、従来から、石炭を乾留する時の揮発分（ＶＭ）を基本としたＣＯＧ予測式を用いた操業管理が行われている。ＶＭとは、通常、他の石炭管理指標と同様に、ＪＩＳ−Ｍ８８１２（石炭類およびコークス類−工業分析法）に準拠した工業分析法によって石炭銘柄ごとに測定されるものであり、石炭試料１ｇをふた付のるつぼに入れ、空気との接触を避けるようにして９００℃で７分間加熱したときの加熱減量に対する質量百分率を求め、この値からさらに、同時に定量した水分を差し引いたものをＶＭとしている。
【０００６】
ＣＯＧの発生量の予測は、特許文献１、特許文献２等で開示されているように、ＶＭに、炉温や石炭成分中の酸素量などの情報を各現場で経験的に係数化し数式としたものを用いて行っている。
【０００７】
上記特許文献１には、各炭化室に装入された石炭量と、石炭装入からコークス排出までの間のガス発生量の経時的変化に基づいて求められるコークス炉団からのガス発生総量を、過去の実績値と予測値の誤差を推定する式により予測し、その都度新たな装入石炭量とガス発生総量測定値を加えて順次修正する方法が開示されている。また、特許文献２には、これにＶＭの情報、置時間ならびに乾留時間などの条件を加えて演算推定し、この推定した各炭化室のガス発生量の経時的変動を用いて窯出ブロックごとの平均ガス発生量の経時的変動を演算し、コークス炉団のガス発生量を予測する方法が開示されている。
【０００８】
これらは、いずれも前述のＶＭを基本として、操業条件や過去実績を加えた演算手法での予測であり、使用する石炭の構造やこれに起因するＣＯＧの発生挙動については考慮されていない。すなわち、従来のＣＯＧ発生総量は、使用する石炭の加熱前後の質量差により求められることを前提としている。
【０００９】
従って、前述したＶＭを基本としたＣＯＧ予測方法は、限られた石炭群の中ではある程度の精度で可能であるものの、最近では、安価コークス原料の使用技術の向上もあって、これまで使用されていなかった石炭種が多く使用されるようになり、実操業においては十分な予測精度が確保できなくなってきているという問題が生じている。
【００１０】
これは、従来のＣＯＧ予測方法で基本とする情報であるＶＭが、石炭の加熱乾留時の揮発分（質量）のみの情報であるのに対し、実操業においては、ＣＯＧに関してガス発生量（体積）のみならず、熱量（成分）までを含めて評価する必要があるためである。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１−９８６９３号公報
【特許文献２】
特開平６−１９８０号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題を解決して、コークス炉ガス（ＣＯＧ）の発生量ならびに熱量を精度よく推定できる方法ならびに装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明者らは、石炭から発生するコークス炉ガス（ＣＯＧ）の発生量および熱量の予測方法について種々の検討を行った。
【００１４】
石炭から発生するＣＯＧの一般的な構成ガス成分の種類は、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｎ_２、Ｏ_２であるが、構成成分の種類および量は、石炭の銘柄により異なることが従来より知られていた。本発明者らは、これが石炭銘柄ごとに異なる石炭の構造に起因するものであるとの知見を新たに得た。すなわち、ＣＯＧの発生量は、ＶＭという石炭の加熱前後の質量差分だけではなく、石炭の持つ化学構造に由来しているとの知見を新たに得た。
【００１５】
特に、ＣＯＧの中で発生量の多いメタンや水素については、核磁気共鳴（ＮＭＲ）法による石炭の化学構造解析と、石炭試料を連続的に２〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で、９００〜１２００℃に昇温したときに発生するガスを成分別に連続的に測定し、加熱温度別に発生ガスの発生パターンを求めるガスモニタリング法によって、これらの発生量が石炭の持つ化学構造に由来していることをより明確に見ることができる。図１には、ＮＭＲ法から求めた石炭中全炭素に対する−ＣＨ_３割合と、ガスモニタリング法から求めた石炭単位量当たりのＣＨ_４発生量との関係を示すが、両者は相関関係にあり、メタンガス発生量は石炭の持つ化学構造に由来していることが明確である。
【００１６】
なお、上記ガス成分以外も、石炭の化学構造に由来して発生するものと考えられるが、熱分解反応のうち酸素の関与する部分や、一次分解的に発生したガスやタールが乾留時にさらに熱分解を受けて生成するガス（二次分解ガス）についても考慮する必要があるため、石炭の化学構造から全てのガスの発生量を予測することは困難である。
【００１７】
そこで、本発明者らは、上記知見に基づき鋭意検討した結果、石炭を銘柄別に乾留して、乾留時に発生するガスを簡便なガスモニタリング装置を用いて、ガス成分別に定量的な経時変化をモニタリングし、発生ガス量に関しては、その定量値を装入石炭量に換算して推定し、発生熱量に関しては、各発生ガスの単位体積あたりの熱量から総熱量を求め、装入石炭量に換算することにより推定できることを新たに見出した。
【００１８】
すなわち、本発明は、上記知見に基づくものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）石炭のコークス化工程において得られるコークス炉ガスの発生量と熱量の一方または双方を予測する方法であって、実際のコークス炉内における石炭の最高加熱温度および昇温速度に基づいて、原料の石炭を銘柄別に加熱炉心内で乾燥した不活性ガス気流中で加熱し、発生するガスを成分別に定量するステップと、前記銘柄別石炭の成分別発生ガス量に基づいて、原料の石炭の銘柄別の構成比に応じて、原料の石炭からの発生ガス量を成分別に算出するステップと、前記原料の石炭からの成分別発生ガス量に基づいて、コークス炉ガスの発生量を予測するステップと、前記銘柄別石炭の成分別発生ガス量に、各成分の単位量当たりのガス燃焼熱量を乗じることにより、銘柄別石炭の熱量を求め、原料の石炭の銘柄別の構成比に応じて、原料の石炭の熱量を算出するステップと、前記原料の石炭の熱量に基づいて、コークス炉ガスの熱量を予測するステップ、を含むことを特徴とするコークス炉ガスの発生量および熱量の予測方法。
（２）前記発生ガス成分として、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４の炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水素ガスを定量することを特徴とする前記（１）記載のコークス炉ガスの発生量および熱量の予測方法。
（３）前記発生ガスの定量を、フーリエ変換赤外線吸光分光分析装置と水素センサを組み合わせたシステムで行うことを特徴とする前記（１）または（２）に記載のコークス炉ガスの発生量および熱量の予測方法。
（４）前記原料の石炭の最高加熱温度が９００〜１２００℃で、昇温速度が２〜１０℃／ｍｉｎであることを特徴とする前記（１）記載のコークス炉ガスの発生量および熱量の予測方法。
（５）前記銘柄別石炭の成分別発生ガス量と熱量の一方または双方をデータベース化することを特徴とする前記（１）記載のコークス炉ガスの発生量および熱量の予測方法。
（６）石炭のコークス化工程において得られるコークス炉ガスの発生量と熱量の一方または双方を予測する情報処理方法であって、実際のコークス炉内における石炭の最高加熱温度および昇温速度に基づいて、原料の石炭を銘柄別に加熱炉心内で乾燥した不活性ガス気流中で加熱し、発生するガスを成分別に定量する処理と、前記銘柄別石炭の成分別発生ガス量に基づいて、原料の石炭の銘柄別の構成比に応じて、原料の石炭からの発生ガス量を成分別に算出する処理と、前記原料の石炭からの成分別発生ガス量に基づいて、コークス炉ガスの発生量を予測する処理と、前記銘柄別石炭の成分別発生ガス量に、各成分の単位量当たりのガス燃焼熱量を乗じることにより、銘柄別石炭の熱量を求め、原料の石炭の銘柄別の構成比に応じて、原料の石炭の熱量を算出する処理と、前記原料の石炭の熱量に基づいて、コークス炉ガスの熱量を予測する処理、を実行することを特徴とするコークス炉ガスの発生量および熱量を予測する情報処理方法。
（７）前記（６）記載の情報処理機能を格納したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を備えたことを特徴とするコークス炉ガスの発生量および熱量を予測する情報処理装置。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下に詳細に説明する。
【００２０】
本発明のコークス炉ガス（ＣＯＧ）の定量的な経時変化のモニタリング方法について述べる。
【００２１】
図２には、本発明に用いる測定装置の一例を示す。本装置によって、石炭試料加熱により発生するガスの組成、ガス成分別の発生量の定量的な経時変化をモニタリングするとともに、同時にガス化しない成分（タール等）についても回収し質量を測定する。
【００２２】
本測定法に用いる石炭試料１の採取量は、測定する石炭の代表性が保証でき、測定時に発生するタールがガス測定に影響を与えない量になるような０．０１〜１ｇ程度が好ましい。また試料形状も、代表性の問題から、長辺が１００μｍ以下に粉砕したものを用いることが望ましい。採取した石炭試料１は、石英製などの加熱炉心管２内に装入した後、系内の大気を窒素やアルゴンなどの不活性ガス３で置換し、そのまま不活性ガス気流中で電気炉６などを用いて９００〜１２００℃の温度範囲まで昇温する。この加熱温度は、実際のコークス炉内での石炭の最高加熱温度に基づくものであり、また、このときの昇温速度は、実際のコークス炉内で石炭が加熱される速度に近い２〜１０℃／ｍｉｎ程度で行うことが望ましい。
【００２３】
石炭の熱分解によりＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｎ_２、Ｏ_２等が発生し、発生した各ガスは、不活性ガスにより検出器に導入され、それぞれ成分別に定量される。検出器としては、測定目的成分であるＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４の炭化水素、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２の各ガスを同時に連続的に測定できるものを使用すればよい。
【００２４】
この測定装置としては、質量分析計のほか、図２に図示するフーリエ変換赤外線吸光分光分析装置（ＦＴ−ＩＲ：特開２００１−８３０７５号公報参照）と水素センサを組み合わせたシステムなどが利用できる。しかし、真空系を用いる質量分析計での検出は、加熱時に発生するタールの処理や煩雑な測定条件の設定などが必要であるなどの点から、常圧で簡便に検出が可能な後者の測定システムを利用することが望ましい。
【００２５】
このシステムは、石炭試料を加熱管２内に装入し、５０〜１００ｍＬ／ｍｉｎ程度の窒素やアルゴンなどの不活性ガスを流したままで９００〜１２００℃まで加熱した時に発生する各成分ガスについて、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４の炭化水素、およびＣＯ、ＣＯ_２はＦＴ−ＩＲ９で連続的に測定し、Ｈ_２は水素センサ１１により連続的に測定することが可能である。
【００２６】
なお、ガスと同時に発生するタールについては、加熱部直後の加熱管２内壁、およびタール回収用のタールトラップ７に付着分の質量を測定し、これらをあわせてタール量とした。
【００２７】
ＣＯＧ熱量は、発生ガスの組成別の発生予測量に応じ、それぞれの単位量あたりのガス燃焼熱量（ＣＨ_４：８５７０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３、Ｃ_２Ｈ_６：１５３７０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３、Ｃ_２Ｈ_４：１４３２０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３、ＣＯ：３０３５ｋｃａｌ／Ｎｍ^３、ＣＯ_２：０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３、Ｈ_２：２５７０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）を掛けたものを合算することにより求める。
【００２８】
表１には、銘柄（Ａ〜Ｅ）別の石炭の工業分析による揮発分（ＶＭ）と、図２の測定系を用いて、石炭を１０００℃まで加熱した際に発生したタール量および発生ガス量の測定結果を示す。表１からわかるように、発生ガスの構成成分別の発生量は石炭の種類毎に異なり、単純に発生前後の質量差だけでは揮発分（ＶＭ）の性格付けはできず、従って、ＶＭを基本としたＣＯＧ予測方法では、ＣＯＧの発生量および熱量を正確に予測できないことは明らかである。
【００２９】
【表１】

【００３０】
これらの発生ガスは、ＮＭＲによる石炭構造解析と比較することにより発生メカニズムを予測できる。例えば、−ＣＨ_３基を多く有する石炭は、熱分解によりＣＨ_４を多く発生する。図１には、数種類の銘柄の石炭について調べた結果を示すが、石炭から発生するガス種はその石炭が持つ構造に起因して発生していることが分かる。
【００３１】
実際のコークス製造は、一般に複数の石炭を配合して行われるため、ＣＯＧの発生量および熱量もこれら石炭の配合比に従うものと考えられる。従って、本発明法においては、実際に使用される石炭について、銘柄別に本発明のモニタリング方法で発生ガス量、組成、および熱量を測定し、これらのデータに基づきＣＯＧの発生量および熱量を推定する。さらに、実際に使用される石炭の銘柄別の発生ガス量、組成、および熱量に関する測定値をデータベース化することにより、より簡便にＣＯＧの発生量および熱量を推定することが可能となる。
【００３２】
【実施例】
次に、本発明をさらに実施例により説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。
【００３３】
図２に示す本発明のガスモニタリング装置を用い、石炭試料の、熱分解により発生するガスの組成、成分別のガス発生量をモニタリングし、ガス化しない成分（タール等）についても回収し質量を測定した。
【００３４】
石炭試料は、Ａ〜Ｅの５種類の銘柄のものをそれぞれ粉体として約０．０５ｇを使用し、５℃／ｍｉｎで昇温し、１０００℃まで加熱を行った。ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４の炭化水素、およびＣＯ、ＣＯ_２ガスはフーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）で、Ｈ_２は水素センサで定量した。その結果を表１に示す。
【００３５】
次に、表１のデータを基に、実際のコークス製造に用いられる石炭の配合比に従ってコークス炉ガス（ＣＯＧ）発生量を推定し、この本発明法による推定値と、従来の揮発分（ＶＭ）を基本とする推定式により得られたデータと、実際のコークス炉から発生するＣＯＧの実績値とを比較した。なお、実測ＣＯＧの値は１日当たりの量で、このときの石炭配合割合、石炭質量も１日当たりの平均値で換算してある。
【００３６】
これらの値を１ヶ月間比較した結果を図３に示す。本発明法は、従来の方法に比べ、ＣＯＧ実績データとよく一致した推移を示し、本発明法によるＣＯＧ推定法の定量性が高いことを明確に示している。
【００３７】
ＣＯＧ熱量は以下のように求めた。
【００３８】
すなわち、発生ガスの組成別の発生予測量に応じ、それぞれの単位量あたりのガス燃焼熱量（ＣＨ_４：８５７０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３、Ｃ_２Ｈ_６：１５３７０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３、Ｃ_２Ｈ_４：１４３２０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３、ＣＯ：３０３５ｋｃａｌ／Ｎｍ^３、ＣＯ_２：０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３、Ｈ_２：２５７０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）を掛けたものを合算する。
【００３９】
図４に、実績使用石炭量にこれを換算して求めた本発明法によるカロリー推定値と、ＣＯＧの熱量の実績とを上記図３の集計と同時期の１ヶ月間に渡って比較した結果を示す。両者は、良い一致を示し、本発明法によるＣＯＧ熱量の推定が高精度に行えることが示された。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の石炭の加熱前後の質量差分（＝揮発分：ＶＭ）を基本とした経験的な推定式による予測に比べ、石炭の化学構造を考慮してコークス炉ガス（ＣＯＧ）を推定する方法であることから、精度良く実績ＣＯＧを予測することが可能となり、その産業上の価値は極めて高いと言える。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＮＭＲによる石炭中の−ＣＨ_３存在割合と、ガスモニタリングによる乾留時に発生した単位石炭量あたりのＣＨ_４発生量との関係を示す図である。
【図２】石炭の乾留時に発生する全ガスをモニタリングするシステムの例を示す図である。
【図３】実炉ＣＯＧの発生量の経時的変化と、本発明法による発生量推定値および従来のＶＭ基本の推定式による発生量推定との関係を示す図である。
【図４】実炉ＣＯＧの熱量の経時的変化と、本発明法による発生ガス予測から求めたガス熱量予測値との関係を示す図である。
【符号の説明】
１…石炭試料
２…加熱管
３…不活性ガス
４…ガス精製器
５…流量計
６…加熱用管状電気炉
７…タールトラップ
８…ＦＴ−ＩＲ測定用ガスセル
９…ＦＴ−ＩＲ
１０…ＦＴ−ＩＲ制御およびデータ処理用コンピュータ
１１…水素センサ

Claims

石炭のコークス化工程において得られるコークス炉ガスの発生量と熱量の一方または双方を予測する方法であって、
実際のコークス炉内における石炭の最高加熱温度および昇温速度に基づいて、原料の石炭を銘柄別に加熱炉心内で乾燥した不活性ガス気流中で加熱し、発生するガスを成分別に定量するステップと、
前記銘柄別石炭の成分別発生ガス量に基づいて、原料の石炭の銘柄別の構成比に応じて、原料の石炭からの発生ガス量を成分別に算出するステップと、
前記原料の石炭からの成分別発生ガス量に基づいて、コークス炉ガスの発生量を予測するステップと、
前記銘柄別石炭の成分別発生ガス量に、各成分の単位量当たりのガス燃焼熱量を乗じることにより、銘柄別石炭の熱量を求め、原料の石炭の銘柄別の構成比に応じて、原料の石炭の熱量を算出するステップと、
前記原料の石炭の熱量に基づいて、コークス炉ガスの熱量を予測するステップ、
を含むことを特徴とするコークス炉ガスの発生量および熱量の予測方法。
前記発生ガス成分として、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４の炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水素ガスを定量することを特徴とする請求項１記載のコークス炉ガスの発生量および熱量の予測方法。
前記発生ガスの定量を、フーリエ変換赤外線吸光分光分析装置と水素センサを組み合わせたシステムで行うことを特徴とする請求項１または２に記載のコークス炉ガスの発生量および熱量の予測方法。
前記原料の石炭の最高加熱温度が９００〜１２００℃で、昇温速度が２〜１０℃／ｍｉｎであることを特徴とする請求項１記載のコークス炉ガスの発生量および熱量の予測方法。
前記銘柄別石炭の成分別発生ガス量と熱量の一方または双方をデータベース化することを特徴とする請求項１記載のコークス炉ガスの発生量および熱量の予測方法。
石炭のコークス化工程において得られるコークス炉ガスの発生量と熱量の一方または双方を予測する情報処理方法であって、
実際のコークス炉内における石炭の最高加熱温度および昇温速度に基づいて、原料の石炭を銘柄別に加熱炉心内で乾燥した不活性ガス気流中で加熱し、発生するガスを成分別に定量する処理と、
前記銘柄別石炭の成分別発生ガス量に基づいて、原料の石炭の銘柄別の構成比に応じて、原料の石炭からの発生ガス量を成分別に算出する処理と、
前記原料の石炭からの成分別発生ガス量に基づいて、コークス炉ガスの発生量を予測する処理と、
前記銘柄別石炭の成分別発生ガス量に、各成分の単位量当たりのガス燃焼熱量を乗じることにより、銘柄別石炭の熱量を求め、原料の石炭の銘柄別の構成比に応じて、原料の石炭の熱量を算出する処理と、
前記原料の石炭の熱量に基づいて、コークス炉ガスの熱量を予測する処理、
を実行することを特徴とするコークス炉ガスの発生量および熱量を予測する情報処理方法。
請求項６記載の情報処理機能を格納したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を備えたことを特徴とするコークス炉ガスの発生量および熱量を予測する情報処理装置。