JP2005075954A - 水平室炉式コークス炉の原料の選択方法及び試験乾留炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 水平室炉式コークス炉におけるコークスの押出しトラブルおよび、コークス炉
炉壁の損傷を防止することが可能な原料石炭選択の方法を提供する。
【解決手段】 コークス炉で用いようとする原料石炭を、あらかじめ、加圧機構を備え、
その加圧方向およびその対向方向から加熱を行なう型の試験乾留炉において乾留を行い、その際に測定される収縮量を求め、その収縮量が、実炉操業において好ましい結果を与えると判断される所定の収縮量以下となるように原料石炭の選択を行なう。
【選択図】 図１

Description

本発明は水平室炉式コークス炉において石炭類を乾留してコークスを製造するに際し、コークスの炉からの排出を容易ならしめるための原料石炭類の選択方法に関する。

水平室炉式コークス炉において、石炭類を乾留してコークスを製造する際には、概略次のような工程をとる。まず、適当な性状の石炭類を粒度調整し、場合により部分的に乾燥あるいは成型を行なった後、コークス炉の炭化室と称される例えば幅約０．３〜０．６ｍ、高さ約４〜８ｍ、長さ約１０〜２０ｍの密閉された空間にこれらを装入する。コークス炉はこの炭化室と、燃焼室と称される例えば幅約０．５〜１ｍ、高さ及び長さが炭化室と概略同じレンガ構造体が交互に連続して１０〜５０組程度設置された構成となっていて、燃焼室にはガスを燃焼させることができるバーナー構造などが設置され、炭化室に装入された石炭は燃焼室からの熱で加熱乾留される。約１５〜２４時間加熱することにより炭化室の石炭は約１０００℃のコークスとなる。その後、炭化室の長さ方向両端に設置された炉蓋を取り除いて、片側から赤熱コークスを押出し、冷却して製品のコークスが得られる。

コークス炉の構造体はレンガで構成されており、稼動開始時に一旦昇温すると、通常冷却されることなく約３０〜５０年間加熱され続ける。従って、万一レンガに破損が発生した場合でも、その補修は炉体を冷却することなしに行なうのが原則であるため、一般にコークス炉構造体レンガの補修は容易ではない。このような理由から、レンガの損傷を防止することはコークス炉の順調な稼動のために極めて重要なことと認識されている。コークス炉構造体レンガに損傷をもたらす原因としては種々のものが挙げられるが、コークスを押出す際に、押し出しラムから与えられた荷重がコークスを介して炭化室の炉壁に伝わり、炉壁損傷を発生させる例があることが知られている。また、この炉壁にかかる荷重によって引き起こされるコークスと炉壁間の摩擦は、コークスの移動を妨げる抵抗となるため、摩擦が過大である場合にはコークスが炭化室から排出できなくなる、いわゆる押詰まりと呼ばれる現象が発生することも知られている。この押詰まりは操業の遅滞を招くだけでなく、押詰まり発生時には、ラムからの荷重が過大となりやすく、炉壁損傷発生の危険性が増すことから、押詰まりを防止することはコークス炉操業上、重要な課題と認識されている。

上記のような押詰まりの防止およびコークス押し出しに伴う炉壁損傷防止を目的としたいくつかの技術が公知である。特に原料石炭の性状が上記押出性に影響を与えることが知られていることから、原料石炭の選択方法に関しては種々の検討がなされている。

例えば、特許文献１（特開平０７−２７８５６２号公報）に開示された、装入石炭の膨張圧を制御することで押し出し性を改善する技術、特許文献２（特開平０８−２８３７３１号公報）に開示された、炭化室内のコークス性状と押し出し性の関係に基づいて押出し性を制御する技術、特許文献３（特開平０９−１４３４７３号公報）及び特許文献４（特開２０００−１４４１３９号公報）に開示された、実験もしくはシミュレーションによってコークスの押し出し性を予測し、その結果に基づき操業を行う技術などが公知である。

石炭性状の中で特に重要と考えられているのが、加熱に伴う収縮性である。石炭はコークス炉の炭化室内で乾留されると、４００〜６００℃付近で、一旦溶融し、さらに高温でその溶融物が再度固化してコークスとなる。このコークスはさらに加熱を続けると徐々に収縮する性質があるため、この収縮が大きい原料ほど、コークス炉内において炉壁とコークスの間に大きな空隙を生じ、その結果、コークス押出時においてはコークスと炉壁の摩擦が減少して押出性が良好となる、という考え方のもと、この収縮性を制御しようとする技術がある。例えば、特許文献５（特開平０８−２８３７３０号公報）に開示された、コークス炉炭化室内水平方向の収縮を推定する技術、非特許文献１（第８９回燃料協会コークス特別会予稿集４２頁（１９９０年））において開示された、コークス炉炭化室炉壁とコークス間の空隙（クリアランス）を求め、制御する技術、特許文献６（特開平０５−３３９５８０号公報）に開示された、炉内水平および垂直方向における収縮量を求め管理する技術などが公知である。また、ＡＳＴＭでは、Ｄ−２０１４規格において、荷重をかけた状態での石炭およびコークスの収縮率を求める方法が規定されており、概略その収縮率が大きいほど押出性が良好となる、という関係も報告されている。

特開平０７−２７８５６２号公報 特開平０８−２８３７３１号公報 特開平０９−１４３４７３号公報 特開２０００−１４４１３９号公報 特開平０８−２８３７３０号公報 特開平０５−３３９５８０号公報 第８９回燃料協会コークス特別会予稿集４２頁（１９９０年） 材料とプロセス誌、１９９６年第９巻６４４頁

しかしながら、これら公知の収縮性評価手法のみでは、コークスの押出性を予測するのには十分ではなかった。その理由のひとつには、コークスの押出性は、コークス収縮によって発生する炉壁とコークス間の空隙のみでなく、コークスケーキの安定性すなわち、炭化室からの押出時にコークスケーキが炉幅方向に膨らんでコークス塊と炉壁が接触する程度の大きさによっても影響を受けると推定されているからである。このようなコークスケーキの押出時における安定性を予測ないしは制御する試みとして、特許文献３（特開平０９−１４３４７３号公報）には試験乾留炉を用いて行なう方法、特許文献２（特開平０８−２８３７３１号公報）にはコークス塊の炉壁に平行な方向の長さを制御する方法、非特許文献２（材料とプロセス誌、１９９６年第９巻６４４頁）には炉壁に垂直方向のコークス塊の長さと押出抵抗の関係を検討した結果などが述べられているが、いずれも、その測定が煩雑であったり、有効性が不十分であり汎用性に欠けたりするなどの欠点を有するものである。

そこで、発明者らは、コークス押出時におけるコークスケーキの安定性をよりよく評価し、その結果をもってコークスの押出性をよりよく推定する方法の検討を行なった。

すなわち、発明者らは、コークスケーキ内に存在する亀裂の量がコークスケーキの安定性に影響を及ぼすとの推定に基づき、実炉における押出性とコークスケーキ内亀裂量の関係および、その亀裂量を求める好適な方法の検討を行なった。その結果、コークスケーキ内の亀裂量は、加圧下において石炭を加圧方向およびその対向方向の両側から加熱を行なった際に観測される収縮量によって求められること、および、その収縮量は実炉において、その石炭を用いて操業を行なった際の押出性とよい相関があることを見出した。

従来の知見によれば、加熱による収縮量が大きい石炭であれば、コークスと炉壁の間の空隙が大きくなり、コークス炉炭化室から容易に押し出せるものと一般に考えられていた。ところが、実操業の解析を行なうと、収縮の大きい石炭であっても、押出性が劣る場合があることが知見された。このような現象を詳細に検討した結果、公知の方法による収縮量の測定結果は、押出性に影響するコークスの収縮現象を十分に解明できないことが明らかとなり、さらに検討を行なって押出性の推定に有効な収縮測定方法を確立するに至った。

本発明は以上の知見に基づいて完成されたものであって、請求項１の発明は、水平室炉式コークス炉においてコークスを製造するための原料の選択にあたり、原料を加圧すると共に加圧方向及びその対向方向から加熱を行い、測定される原料に基づいて原料を選択することを特徴とする。

請求項２の発明は、水平室炉式コークス炉においてコークスを製造するための原料の選択にあたり、加圧機構を備え、かつ加圧方向及びその対向方向から加熱を行う型の試験乾留炉において測定される収縮量に基づいて選択された原料を用いることを特徴とする。

請求項３の発明は、水平室炉式コークス炉においてコークスを製造するための原料の試験乾留炉であって、加圧機構を備え、かつ加圧方向及びその対向方向から原料に加熱を行うことを特徴する。

請求項４の発明は、請求項３に記載の試験乾留炉において、前記試験乾留炉は、原料が充填される乾留缶と、前記乾留缶に対して往復運動可能な加圧板と、前記乾留缶の底面を加熱する第１の発熱体と、前記加圧板を加熱する第２の発熱体とを有することを特徴とする。

本発明によれば、水平室炉式コークス炉における好ましい原料および操業条件の選択が可能となる。その結果、押出し時のトラブルによる減産などの機械損失の抑制、押出し時に発生する炉壁荷重の低減による炉壁損傷の防止、およびその結果として補修費の低減、炉寿命の延長などの効果を有する。

以下、本発明について具体的に説明する。本発明において用いられる乾留炉の一例を図１に示す。この乾留炉は炉内の石炭に対し、上から荷重を与えることができるような載荷機構および上下両面から石炭を加熱可能な発熱体を備えたものである。この例では石炭を乾留缶１に充填し、乾留缶底面を固定して上方から加圧板２を載荷しつつ上下面から第１の発熱体（ヒーター）３及び第２の発熱体（ヒーター）４にて加熱を行なっている。加圧板２は加圧シリンダー５によって乾留缶１に対して往復運動可能になっている。これら加圧板２及び加圧シリンダー５が加圧機構を構成する。

本発明において重要な機構は、加熱方向が載荷方向およびその対向方向である点であり、図１以外の構成をとるものであってもよい。例えば、上下面加熱炉において、石炭層の上面を固定し、下面から載荷したり、左右面から加熱しつつそのどちらかの面を固定し、固定面に対向する側から載荷したりする機構あるいは、両面から載荷する機構にすることも可能である。

図１の炉は従来技術であるＡＳＴＭ規格Ｄ−２０１４における乾留炉（図２）と似た構成であるが、図２における加熱方向は石炭の下方からのみであるのに対し、図１では石炭の上下両面から加熱している点が大きく異なる。両面加熱の炉では、炉内の石炭層は両側から徐々に加熱され、溶融状態を経てコークス化が進行する。乾留が石炭層の中央部まで進行すると、そこでは溶融物を拘束する石炭層がもはや存在しないこと、および溶融物内で生成したガスが空隙の多いコークス層を容易に抜けてしまうため、他の部分に比較して気泡や空隙の多い、脆弱なコークスが生成する。コークス層全体の収縮によってこの脆弱層は空隙となったり、大きな亀裂となってコークスケーキ内に残存したりすることとなる。この中央部の大亀裂の他にも、コークス層内には加熱面に平行な亀裂が生成することが知られているが、このようなコークス層中の亀裂は実コークス炉においても知見されるものであり、実炉と試験乾留炉では加熱方向が異なる(実炉では左右面からの加熱、図１の炉では上下面からの加熱）ものの、炉内の現象はほぼ同様であると推定される。

このような両面加熱の状態で、加熱方向から適切な荷重を与えるとコークス層内の亀裂がつぶされ、その量およびコークスの基質（亀裂の存在しない部分）の収縮量の合計が加圧板２の変位として観測される。もし、亀裂がつぶされることによって発生する収縮量のみを求めたい場合には、荷重を与えた場合と与えない場合の２回の乾留試験を実施してその差を求めればよい。このように両面加熱の炉において加熱方向から荷重を与えて収縮量を測定することは、ＡＳＴＭ規格準拠の方法に比べて、実炉内における亀裂の生成をより正確に評価しているものと推定される。

具体的な測定例として、図１の乾留炉において６．４ｋｇの石炭試料を２００ｍｍ×２００ｍｍの底面を持つ乾留缶１に高さ２００ｍｍに充填し、１００ｋｇｆの荷重を石炭層上面全体にかけながら昇温、乾留を行なった際に観測された加圧板の変位測定例を図３に示す。図３には加圧板の変位とともに乾留缶下面の温度も示されている。図３より、加圧板２の変位から、石炭およびコークス層の収縮量が測定可能であることが確認できる。乾留に伴う収縮は、大きく分けて装入直後および４００℃以上において観測されるが、装入直後の収縮は石炭層からの水分の蒸発に伴う収縮であり、コークス層の収縮を評価する上ではあまり重要ではない。これに対し、石炭が軟化溶融状態になる４００℃以上での収縮は、石炭およびコークスの性質を示す指標として重要である。

図４に、上記の測定法により、種々の配合炭を乾留した際に測定される４００℃以上で観測される収縮量（以下、単に収縮量と呼ぶ）と、その配合炭を実コークス炉において乾留し、押出した際のピーク押出力の関係を示す。図４より、観測される収縮量が大きいほど押出力が高く、押出性が悪いことが認められる。従来の知見では、収縮量の大きな石炭ほどコークスと炉壁の間隙が大きくなるため押出力が小さくなると考えられており、実際ＡＳＴＭ規格準拠の方法により求められる収縮量と押出性の関係は、従来知見に一致するとの報告もあるが、本発明の方法による収縮量の測定結果の場合、逆の傾向となった。従来の知見と本発明の方法とで反対の傾向を示している点は、当初予想できなかったものであるが、その原因を詳細に検討した結果、以下に示すような現象が認められた。

すなわち、強粘結炭と呼ばれる比較的揮発分の低い高品位の石炭を主に原料として用いた場合、生成するコークスの強度が高いため塊内に生成する亀裂が少なく、また押出時にコークスケーキの崩れも発生しにくいため、ＡＳＴＭ規格準拠の方法で求められる収縮量が小さいほどコークスと炉壁の空隙が小さくなり、押出性が悪化する。しかし、強粘結炭の配合量が少なく、比較的揮発分の多い低品位の石炭を多く用いる場合、コークス塊内に生成する亀裂が多く、そのため収縮量の割にはコークスと炉壁の空隙が少なくなることに加え、コークスケーキ内の亀裂量が増えるのに伴い、押出時のケーキ崩れが発生しやすく、押出性は本発明の方法で測定される収縮量、すなわちコークス基質の収縮量と亀裂量の合計値とよい相関を持つことが判明した。近年、コークス製造コスト低減の要求から、なるべく低品位の石炭を用いてコークスを製造することが主流となっているため、従来の収縮量測定手法よりは、本発明による収縮量測定手法の方が精度よく押出性を推定できるものと考えられる。

本発明の方法によってコークス炉の操業を行なうには以下のようにする。まず、図４のような収縮量と押出力の相関をあらかじめ求め、実コークス炉において許容される押出力となるような配合炭の収縮量を求めておく。次に測定される原料の収縮量が所定の値（許容値）以下となるような原料を選択する。具体的には、実コークス炉において使用を計画している配合炭の収縮量を図１の乾留炉を用いて測定し、その値が先に求めた許容値以下であれば、その配合炭を実炉に用いることを可とし、許容値以上であれば許容値以下となるような別の配合炭を実炉に用いるようにする。

この場合、図４の関係はコークス炉により、あるいは操業により変化することが想定されるので、炉毎、あるいは、操業条件毎に求めておくことが必要である。また、図４は、収縮量と押出力の関係を求めたものであるが、押出性と相関のある他の指標、例えば、押出トルク、押出時のモーターの電流や電力、押し詰まりや押し止りなどの押出トラブル発生頻度などと収縮量の相関をとったものであってもよい。また、許容される押出力（あるいはそれに相当する指標）は、コークス炉毎に適宜設定する必要がある。この設定は、特に老朽炉において炉壁損傷を防止するために重要であり、操業実績やシミュレーションに基づいて許容値を決定すればよい。一般に、老朽化の進んだ炉の場合、炉壁損傷が起こりやすいと考えられるので、許容値は低めにとっておくことが望ましい。

また、配合炭の選択にあたっては、種々の石炭による収縮量の測定値をもとに、配合炭の収縮量を推定し、その結果に基づいて石炭の選択を行なうことも可能である。また、あらかじめコークス炉の操業条件と許容される収縮量の関係を求めておき、その関係に基づいて、ある収縮量を示す配合炭についてその許容値以上の操業条件となるようにコークス炉の操業条件を調整することも可能である。

あるコークス炉において、一定の操業条件のもと、種々の配合炭からコークスを製造した際に観測された押出力と、その配合炭を図１の試験乾留炉を用いて乾留し、収縮量を求めた結果、図４の相関が得られた場合において、新たな配合炭を用いてこの条件で操業を行なうことの可否を判断する例を示す。この炉団における操業トラブル発生頻度を元に、許容押出力が４５ｔｆと設定された場合、図４の相関に基づき、押出力４５ｔｆに相当する収縮量は１９ｍｍであることがわかる。従って、新規に用いようとしている配合炭を図１の装置によって乾留し測定される収縮量の値が１９ｍｍより大きければ、この配合炭を用いて操業を行なうことは好ましくなく、収縮量が１９ｍｍより小さければ、この配合炭を用いて操業をおこなうことができると判断する。

本発明において用いられる試験乾留炉の一例を示す断面図。 ＡＳＴＭＤ−２０１４規格準拠による収縮量測定用乾留炉の断面図。 本発明の方法により測定される収縮量の経時変化の例を示すグラフ。 本発明の方法による収縮量の測定値と実コークス炉における押出力の相関を示すグラフ。

符号の説明

１…乾留缶
２…加圧板（加圧機構）
３…第１の発熱体
４…第２の発熱体
５…加圧シリンダー（加圧機構）

Claims (4)

1. 水平室炉式コークス炉においてコークスを製造するための原料の選択にあたり、
   原料を加圧すると共に加圧方向及びその対向方向から加熱を行い、
   測定される原料の収縮量に基づいて原料を選択することを特徴とする水平室炉式コークス炉の原料の選択方法。
2. 水平室炉式コークス炉においてコークスを製造するための原料の選択にあたり、加圧機構を備え、かつ加圧方向及びその対向方向から加熱を行う型の試験乾留炉において測定される収縮量に基づいて選択された原料を用いることを特徴とする水平室炉式コークス炉のコークスの製造方法。
3. 水平室炉式コークス炉においてコークスを製造するための原料の試験乾留炉であって、
   加圧機構を備え、かつ加圧方向及びその対向方向から原料に加熱を行うことを特徴する試験乾留炉。
4. 前記試験乾留炉は、
   原料が充填される乾留缶と、前記乾留缶に対して往復運動可能な加圧板と、前記乾留缶の底面を加熱する第１の発熱体と、前記加圧板を加熱する第２の発熱体とを有することを特徴とする請求項３に記載の試験乾留炉。

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