JP2005126639A - コークス炉装入用石炭の粒度分布算出方法及びコークス炉装入用石炭の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コークス炉の装入石炭の高嵩密度化あるいは低嵩密度化を実施する方法を提供する。
【解決手段】 あらかじめ石炭粒度分布と石炭装入嵩密度の関係を求め、この関係に基づいて石炭装入嵩密度から目標とする石炭粒度分布を算出し、この石炭粒度分布に基づいて石炭を粉砕する。

Description

本発明は、冶金用コークスを製造する際、石炭装入の高嵩密度化あるいは低嵩密度化を行うために原料石炭を最適な粒度分布に調整する方法に関する。

高炉用に代表される各種コークスは、多数の銘柄の石炭を配合して粉砕した後、コーク炉に装入して製造される。装入された石炭は炉内で高温乾留されてコークスとなる。コークスの生産性を上げること、あるいはコークス需要量に余裕があり、コークス炉体延命を考えた操業を行う手法の一つとして、コークス炉への石炭装入嵩密度を制御することが考えられる。

石炭装入嵩密度の制御には、石炭装入嵩密度を上げることと下げることの二つの考え方がある。すなわち(1)一つ目は、コークス炉が定容積反応器であることから石炭装入嵩密度を上げること。(2)二つ目は、コークス炉は建設されて３０年以上経過したものが多く、炉壁の傷みなどから来るコークス押し止まりによるコークス減産が報告されている。そのため、コークス押し止まりが頻繁する炉に対しては石炭装入嵩密度を下げて炉体延命と押し止まりによる減産を抑制することが必要と考えられる。

石炭装入高嵩密度を向上させる方法として、コークス炉に装入した原料石炭を押し固める方法（スタンプチャージ）、乾燥した微粉炭を造粒する方法、コークス炉内で最密充填となるようなFurnas分布に基づく石炭最密充填化を指向する方法が考えられる。一方、石炭装入低嵩密度化には原料石炭の装入粒度を小さくする方法が考えられる。

しかしながら、原料石炭を押し固める方法では、スタンプチャージするための設備費の増大が問題になり、造粒する方法では、ペレタイザーなどの設置によって設備費が増大したり、微紛を分級して造粒するため工程が複雑化したりするのが問題になる。

コークス強度は、装入石炭の配合条件が同じであっても、粉砕後の装入石炭の粒度によって異なることが知られている。装入石炭の粒度分布について、コークス強度の向上を考えて３ｍｍ以下の粒径の石炭が７０〜９０％となるように管理・操業されている。

近年のこの種の技術として、特許文献１では、コークス化し難い非微粘結炭を使用しながらコークス強度低下を抑制し、さらにコークス生産性を向上するためにFurnas分布に基づく石炭最密充填化を提案している。この特許文献１では、全不活性成分量と石炭軟化溶融時の最高流動度をパラメータとして石炭を４分類し、全不活性成分量が少なく最高流動度が高い石炭は大粒径となるように粉砕する。大粒径の最大粒径を測定し、最密充填となるようにFurnas分布に基づき残りの石炭を石炭性状に応じて中粒径あるいは小粒径に粉砕する。

特開2003-129065号公報

しかしながら、Furnas分布に基づいて石炭粉砕粒度を決定する方法では、(1)全不活性成分量が少なく最高流動度が高い石炭の粉砕後最大粒径を測定するまでは、その他の石炭の粉砕粒度が決定できないこと、(2)前記したようにコークス炉体によっては、石炭装入の低嵩密度化を指向する必要があること、(3)また石炭装入の最密充填化を指向するとコークスの粒径低下が懸念されるなど、最密充填化によるコークス品質の低下が予想される。

一方、石炭装入低嵩密度化では、装入粒度を小さくする方法があるが、あまりに細かくするとコークス強度の低下が予想され、さらに石炭装入時のキャリーオーバー（微粉炭の巻き上がり）が大きく、操業トラブルが発生する。このため、石炭装入嵩密度に応じた最適な粒度分布を明確にしておき、必要以上に石炭を粉砕しないことが重要となる。

本発明は、石炭粒度分布と石炭装入嵩密度の関係を定量的に明らかにし、コークス強度、炉体状況などを勘案することによって、石炭装入嵩密度から目標となる石炭の粒度分布を明確にしておき、石炭粒度分布の目標値通りに粉砕することで、装入石炭の高嵩密度化あるいは低嵩密度化を実施する。

すなわち請求項１の発明は、あらかじめ石炭粒度分布と石炭装入嵩密度の関係を求め、この関係に基づいて目標とする石炭装入嵩密度から石炭粒度分布を算出することを特徴とするコークス炉装入用石炭の粒度分布算出方法により、上述した課題を解決する。

請求項２の発明は、請求項１に記載のコークス炉装入用石炭の粒度分布算出方法において、石炭を複数の系列に分割し、各系列の石炭粒度分布と複数の系列の石炭を混合した後の石炭装入嵩密度の関係を表す数式モデルを用いて、目標とする各系列の石炭粒度分布を決定することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の前記コークス炉装入用石炭の粒度分布算出方法が、コークスの増産を行うこと、コークス押出し時の押詰りを抑制してコークス減産を回避すること、あるいはコークス炉体延命をすることを目的として、石炭装入嵩密度の増加あるいは減少を検討する場合において行われることを特徴とする。

請求項４の発明は、あらかじめ石炭粒度分布と石炭装入嵩密度の関係を求め、この関係に基づいて目標とする石炭装入嵩密度から石炭粒度分布を算出し、この石炭粒度分布に基づいて石炭を粉砕することを特徴とするコークス炉装入用石炭の製造方法により、上述した課題を解決する。

この発明によれば、これまでの石炭粒度管理（例えば-3mm割合）に比べて石炭装入量の予測が可能となる。このため、効果的に石炭装入量を増加させたり、炉体状況によって過剰に粉砕することなく石炭装入量を低下させたりすることが可能となる。

本発明は、数式モデルを用いて石炭粒度分布と石炭装入嵩密度の関係を定量的に明らかにし、コークス強度、炉体状況などを勘案することによって、目標となる石炭の粒度分布を明確にしておき、石炭粒度分布の目標値通りに粉砕することで、装入石炭の高嵩密度化あるいは低嵩密度化を実施する方法を提供するのが目的である。

コークス強度を向上させる目的で、石炭の粉砕後粒度を石炭性状に応じて変化させる方法が特開昭56-32587号公報、特開平8-259953号公報、特開2001-181644号公報に開示されている。石炭の系列の数はいくつであってもよいが、特開2001-181644号公報の場合を例にとり、低反射率非微粘結炭（系列１）、高反射率非微粘結炭（系列２）、粘結炭（系列３）というように石炭を３系列に分割した場合を考える。各系列の粒度分布と３系列の石炭を混合した後の石炭装入嵩密度の関係を表す数式モデルを用いて、系列ごとの最適粒度分布を決定する。

数式モデルとしては、Lee et al., Journal of Paint Technology, 42(550) 579-587 1970. Bierwagen et al., Powder Technology, 10 111-119 1974. 伊藤ら、日本金属学会誌, 50(8) 740-746 1986など多数提出されているが、うまく評価できればどのようなモデルを用いても良く、ここに示したモデルを用いても良い。ここでは、伊藤らのモデルを用いた。伊藤らによれば、石炭体積分率は以下のように表せるとした。

ここで、P；石炭体積分率(-)、P_i；充填関数、f；サイズの異なる２成分系の充填定数、X；各系列の混合割合、F(x)；粒子粒度分布関数。

ここで、粒子粒度分布関数として、Rosin-Rammler分布を考える。

ここで、De；粒子特性数、m；均等数。粒子特性数が小さいと微粉が多く、均等数が小さいと粒度分布に幅があることを示す。図１には粒子特性数や均等数が変化した場合の粒度分布を示す。

(1)-(3)式より各系列の混合割合、粒子特性数、均等数を入力すれば、石炭体積分率が計算できる。石炭装入嵩密度は石炭体積分率から(4)式により推算できる。

ここで、PD；石炭装入嵩密度（kg／m³）、a；水分，石炭形状などを表す定数（−）、ρ；石炭真比重（kg／m³）。

図２では、高さ３ｍの所から系列２の石炭（38 wet-kg-coal）を長さ350mmの立方体の箱に落としたときの石炭装入嵩密度の実測値と数式モデルから算出した値を比較した。粒子特性数は2.0、均等数を0.8-1.2となるように粒度調整を行った石炭を用いて実験を行った。ａは石炭水分や形状などによって変化する係数だが、ａを0.77とすると両者が良好に一致した。図３には試験に用いた石炭の粒度分布を示す。

系列１，２，３ぞれぞれの粒子特性数を1.6、2.0、2.5mm、系列３の均等数を0.8とした場合の系列１，２の均等数と石炭装入嵩密度の関係を図４に示す。図４より粒子の均等数が変化すれば石炭装入嵩密度が大きく異なることがわかる。図４のようなグラフを実操業で想定される配合割合や粒度分布の場合で作成しておく。実操業では、コークス炉体状況を見ながら図４のようなグラフより、粒度分布管理を行う。

ただし、系列１に割り振られる石炭は粗粉砕や過剰な粉砕を行うとコークス強度の低下が懸念される。そのため、コークス強度の面から粒度分布に対し制約条件が発生するが、事前に系列１の粒度分布とコークス強度の関係を実験などで把握しておき、制約条件を決定すればよい。各系列について目標の粒度分布にするには、粉砕機（ハンマークラッシャー、インペラーなど）や粉砕方法（分級するかどうか）、粉砕条件（負荷量、回転数、ギャップなど）などで調整する。

本実施形態によれば、これまでの石炭粒度管理（-3mm割合）に比べて数式モデルを用いた粒度分布管理を行うことにより、石炭装入量の予測が可能になる。このため、効果的に石炭装入量を増加させたり、炉体状況によって過剰に粉砕することなく、石炭装入量を低下させたりすることが可能となる。

粒子特性数及び均等数の頻度分布曲線に及ぼす影響を示すグラフ。 石炭装入密度の実験値と計算値の関係を示すグラフ。 石炭粒子径分布を示すグラフ。 石炭装入密度と各系列粒度分布幅の関係を示すグラフ。

Claims (4)

1. あらかじめ石炭粒度分布と石炭装入嵩密度の関係を求め、この関係に基づいて石炭装入嵩密度から目標とする石炭粒度分布を算出することを特徴とするコークス炉装入用石炭の粒度分布算出方法。
2. 石炭を複数の系列に分割し、各系列の石炭粒度分布と複数の系列の石炭を混合した後の石炭装入嵩密度の関係を表す数式モデルを用いて、目標とする各系列の石炭粒度分布を決定することを特徴とする請求項１に記載のコークス炉装入用石炭の粒度分布算出方法。
3. 請求項１又は２に記載の前記コークス炉装入用石炭の粒度分布算出方法は、コークスの増産を行うこと、コークス押出し時の押詰りを抑制してコークス減産を回避すること、あるいはコークス炉体延命をすることを目的として、石炭装入嵩密度の増加あるいは減少を検討する場合において行われることを特徴とする。
4. あらかじめ石炭粒度分布と石炭装入嵩密度の関係を求め、この関係に基づいて石炭装入嵩密度から目標とする石炭粒度分布を算出し、この石炭粒度分布に基づいて石炭を粉砕することを特徴とするコークス炉装入用石炭の製造方法。

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