JP2011026424A

JP2011026424A - 石炭の改質方法

Info

Publication number: JP2011026424A
Application number: JP2009172741A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Hanada; 一利花田; Kyoko Fujimoto; 京子藤本
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2011-02-10

Abstract

【課題】石炭が有する特性値（特に流動性）を変化させることにより石炭改質を行い、コークス製造の際の石炭の配合設計の自由度を高め、これにより配合炭の原料コストを増加させること無く、製造されるコークス強度を高めることを可能とする、石炭の改質方法を提供すること。
【解決手段】高温高圧下で処理することで、高炉用コークス原料として用いる石炭の流動性を変化させることを特徴とする石炭改質方法を用いる。石炭１と超臨界流体とを接触させることで石炭を処理することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、製鉄原料として用いる石炭の改質方法に関する。

高炉用コークスは、高炉内において還元材、熱源、そして通気性を保つための支持材として用いられている。製鉄原料として用いるこのような高炉用コークスは、高炉内に装入した際に粉化すると高炉の通気性を悪化させるため、高強度を有することが望ましい。そこで、コークス原料石炭の事前処理方法を工夫することにより強度の高いコークスを製造する技術が各種検討されてきた。その一例として、コークス炉に装入する前の石炭粒度分布の適正化、すなわち粉砕処理条件の変更によりコークス強度を制御する方法などが知られている。

また、高炉用コークスを製造する際には、通常複数銘柄（１０品種以上）の石炭を配合した配合炭を用いており、このため従来から、配合炭を原料として製造したコークス強度推定法が検討されてきた。特に、「基質強度と流動性を指標としたコークス強度推定法」による方法が一般的に使用されている。この方法は、石炭性状としてビトリニット平均反射率（Ｒｏの平均値）とギーセラープラストメーターの最高流動度（ＭＦ）の２つの指標をパラメータとしてコークス強度を推定するものである。

すなわち、石炭を乾留してコークスを製造する際の因子として、ビトリニット平均反射率および最高流動度の２つの特性がコークス強度の発現因子であり、特に重要なものと考えられている。最高流動度の値は、試験方法の性質から回転数ｄｄｐｍ、もしくはその対数値ｌｏｇｄｄｐｍで表される。

コークスを製造する際には、最高流動度の対数値（ｌｏｇＭＦ）を、配合割合を考慮して、その加重平均が最適数値範囲になるように（一般的には、ｌｏｇＭＦ１〜４の範囲内）になるように、石炭を配合する。最適ｌｏｇＭＦ範囲は保有のコークス炉、製造条件ごとに異なる。

また、石炭の粘結成分量を示す指標と石炭の粘結成分の粘度を示す指標がコークス強度に相関する、換言すれば石炭の粘度がコークス強度に影響を及ぼす、との報告もある（例えば、特許文献１）。上述したように、従来から、石炭の粘度、流動性指標は製造されるコークスの性能にとって非常に重要な因子であると考えられてきた。

一方、超臨界流体により石炭を改質する研究は従来からなされてきたが、そのほとんどが、石炭を液化、ガス化させ、高炉用コークス原料以外の用途に供するものである。または、石炭からトルエンを抽出するような、有用な化学成分を回収する技術として検討されてきた（例えば、特許文献２、３、４）。

特開２００２−２９４２５０号公報特開昭６３−２３８１９５号公報特開平６−２９９１６４号公報特開平１０−２３７４５９号公報

高強度コークスを製造するためのコークス強度推定法として上記のような方法が提案されているが、高強度コークスを製造するためには、保有するコークス炉にとって適度な「Ｒｏ」と「ｌｏｇＭＦ」を有する銘柄の石炭を原料として、配合することなく用いることが簡便である。しかし、石炭のほぼ全量を購買、調達する現状において、単一銘柄の石炭を多量に使用するような場合は、コスト高となる、入手困難となるなどの様々なリスクを伴う点が問題となる。さらに、流動性の乏しい非微粘結炭においては、流動性を示す指標の検出感度が低下するため流動性の測定そのものが困難になり、測定値が意味を持たなくなるという問題もある。

したがって、それぞれ異なる物性値を有する、様々な銘柄の石炭を配合してコークスを製造する方法が最も現実的である。その際に、任意の石炭について改質処理を施すことができれば、配合設計の自由度を高めることができる。

したがって本発明の目的は、石炭が有する特性値（特に流動性）を変化させることにより石炭改質を行い、コークス製造の際の石炭の配合設計の自由度を高め、これにより配合炭の原料コストを増加させること無く、製造されるコークス強度を高めることを可能とする、石炭の改質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）高温高圧下で処理することで、高炉用コークス原料として用いる石炭の流動性を変化させることを特徴とする石炭改質方法。
（２）石炭と超臨界流体とを接触させることで石炭を処理することを特徴とする（１）に記載の石炭改質方法。

本発明によれば、製鉄原料として用いる石炭を、事前処理によって入手時とは異なる流動性を有する石炭に改質することができる。改質により、流動特性範囲の広い石炭を保有することができ、これにより高強度コークス製造に必要な複数銘柄石炭配合時の配合設計の自由度を向上させることができる。また、流動性の乏しい安価な石炭を用いても従来製造されているコークス相当の品質のコークスが製造できるため、コークスの製造コストを削減できる。

本発明の一実施形態を示す概略図。

本発明者らは、石炭を改質するために、超臨界流体処理を施すことについて検討した。前述したように、コークス品質に影響を及ぼす石炭特性の一つとして、ギーセラープラストメーターの最高流動度（ＭＦ）が挙げられる。また、石炭に対して超臨界流体処理を行う研究は従来からなされてきたが、そのほとんどが、石炭を液化、ガス化させるなどの抽出、分解物に関する研究であり、高炉用コークス原料以外の用途に供するものとして検討されてきた。または、石炭からトルエンを抽出するような、有用な化学成分を回収する技術として検討されてきた。そのため、超臨界流体処理後の残渣である石炭そのものの特性がどのように変化するかの知見はない。本発明者らは、石炭を超臨界流体処理することで、流動性などの特性が変化することを突き止め、超臨界流体処理による高温高圧下での処理が石炭改質の有用技術であることを見出し、本発明を完成するに至った。

一般に高炉用に供する石炭は加熱すると、４００℃付近から軟化溶融を開始する。軟化溶融時には、石炭の加熱分解・反応が起こり、一部が系外に揮散し、著しく質量が減少する。一方、軟化溶融以前では石炭の初期質量からの変化率は非常に小さい。

したがって、超臨界流体処理によるような高温高圧下で石炭を処理することで、石炭の流動性を変化させることが可能となる。なお、高温高圧とは、下記に示すような物質の臨界点以上の温度・圧力であるものとする。

超臨界二酸化炭素、超臨界水に代表される超臨界流体は、液体の特徴である物質溶解性と気体の特徴である高拡散性、浸透性を併せ持つ流体として古くから注目されてきた。本発明者らは、上述のような超臨界流体の特徴を利用し、石炭の内部まで超臨界流体を浸透させると石炭を改質可能であることを明らかにした。石炭の内部まで超臨界流体を浸透させるには、超臨界状態の物質と石炭とを接触させればよい。

超臨界流体を使った石炭の流動性改質方法についての諸条件を以下に述べる。石炭の流動性改質に用いる超臨界流体には、水、炭酸ガス、ベンゼン、トルエン、キシレンなどのいずれの物質を用いても良いが、コストや調達の容易さ、普遍性等を考慮すると炭酸ガスが望ましい。超臨界条件は用いる流体の臨界点に依存する。上記に挙げた流体の臨界温度、臨界圧力は、水で３７４℃、２２．１ＭＰａ、炭酸ガスで３１℃、７．４ＭＰａ、ベンゼンで２８９℃、４．９ＭＰａ、トルエンで３１９℃、４．０ＭＰａ、キシレンで３４３℃、３．６ＭＰａである。流動性改質のための温度は臨界温度以上、４００℃以下が望ましい。特に炭酸ガスを流体として用いる場合は、３１℃以上、４００℃以下が好ましい。４００℃以下としたのは、多くの銘柄の石炭で軟化点が４００℃程度またはそれ以上であることから決定された。ただし、流動特性を改質させたい石炭の軟化溶融点が４００℃以下の場合もあるが、そのときの処理温度は軟化溶融点以下の温度にするのがよい。加熱する際の昇温速度については、任意に設定すればよく、特に指定するものではない。

流動性を改質させたい石炭試料の粒度については、石炭配合時に用いやすいような粒径とすればよく、任意に定められるものであり、特に指定するものではないが、より短時間で効率的に改質させたい場合には試料粒径は細かくした方がよい。

超臨界流体処理による石炭流動性の改質方法の一実施形態を図１を用いて以下に説明する。

石炭を粒径２００μｍ以下に粉砕して石炭試料１とし、石英製の円筒ろ紙２内に装入する。石炭試料１の入った円筒ろ紙２を耐圧容器３内に入れる。石炭を装入する容器は特に石英製に限るものではなく、４００℃まで加熱しても分解、変質しない材料であればよい。また、使用する超臨界流体と相互作用を起こすことで不純物が溶出することのないものを選択することが好ましい。耐圧容器３にガスボンベ４から超臨界流体を充填し、軟化溶融温度以下の所望の温度までヒーター５で加熱する。６は熱電対である。この際少量のガスが発生することがある。発生ガス７は系外に放散させてもさせなくてもよい。所望の温度に達した後、加熱を終了する。加熱した石炭試料１は、１００℃程度以下まで冷却することが好ましい。通常の条件では、高温のままでは、石炭試料１を耐圧容器３から取り出した際に、酸化などの発生により石炭が化学変化する恐れがあり、また取り扱いの際に火傷等の恐れがあるためである。上記の問題が発生するような環境下で石炭の改質を行うのでなければ、１００℃まで冷却する必要はない。超臨界流体により高温高圧下で処理された石炭は、流動性が変化する。

本発明の事前処理による石炭流動性改質において対象とする「石炭」は、特に限定されない。例えば、強粘炭、微粘炭、非粘炭など高炉用コークスの原料として供される石炭が挙げられる。このように、本発明によれば、石炭が有する特性値（特に流動性）を超臨界流体による事前処理により変化させることができる。石炭の流動性を改質することで、配合設計の自由度が向上し、配合炭の原料コストを増加させること無くコークス強度を高めることが可能となる。

本発明の石炭改質方法により流動性を変化させた石炭を用いてコークスを製造する際には、流動性を変化させた石炭を配合炭の一部として配合して、コークス炉等に装入して乾留する。改質した石炭を配合する際には、配合する各石炭の最高流動度の対数値（ｌｏｇＭＦ）の加重平均が最適数値範囲になるように配合することが好ましい。

超臨界炭酸ガスを用いて、２銘柄の石炭（Ａ炭、Ｂ炭）の流動性を改質した例を示す。石炭の最高流動度（ｌｏｇＭＦ）の測定はＪＩＳＭ８８０１に準拠して行なった。実施に供したＡ炭、Ｂ炭の主な特性値を表１に示す。

超臨界流体処理による石炭改質処理は以下の手順で行った。まず、石炭Ａ、Ｂを粒径２００μｍ以下に粉砕し、石英製の円筒ろ紙内に装入した。石炭の入った円筒ろ紙を耐圧容器内に入れ、耐圧容器に炭酸ガスを加圧・充填し、８ＭＰａ以上とした。外部のヒーターで耐圧容器を加熱した。加熱温度は３００℃から４００℃まで変化させた。このときの耐圧容器内の温度および圧力は常時モニタリングして、炭酸ガスが超臨界状態にあることを確認した。所定温度に達した後、１００℃程度以下まで冷却した。取り出した石炭Ａ、ＢをＪＩＳＭ８８０１に準拠して最高流動度（ｌｏｇＭＦ）の測定を行なった。処理後の流動度試験結果を未処理の場合の測定結果と併せて表２に示す。

表２によれば超臨界流体処理によって石炭の流動特性は未処理と比較し、変化することが分かる。試験に供したＡ、Ｂの２銘柄とも流動特性が変化していることから、特定の銘柄に限らず、超臨界炭酸ガス処理によって石炭の流動特性を改質できることが示された。さらには、処理温度が高いほど、流動特性変化率が大きい傾向が見られた。

１石炭試料
２石英製円筒ろ紙
３耐圧容器
４ガスボンベ
５ヒーター
６熱電対
７発生ガス
８ポンプ、圧力計

Claims

高温高圧下で処理することで、高炉用コークス原料として用いる石炭の流動性を変化させることを特徴とする石炭改質方法。
石炭と超臨界流体とを接触させることで石炭を処理することを特徴とする請求項１に記載の石炭改質方法。