JP2011046927A - フェロコークスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】竪型乾留炉を用いてフェロコークスを製造する際に、フェロコークス内の成分の酸化反応の進行を防止して、フェロコークスの強度低下を防止できる、フェロコークスの製造方法を提供すること。
【解決手段】炭素含有物質と鉄含有物質との成型物を乾留してフェロコークスを製造するための竪型乾留炉に乾留ガスを吹き込む際に、乾留炉５の炉頂部から排出される炉頂排出ガスの少なくとも一部を循環ガスとして乾留ガスの一部として使用し、循環ガスと燃料ガスを燃焼して得た燃焼ガスとを混合し、該混合した混合ガスを乾留ガスとして吹き込む際に、循環ガスと燃焼ガスとの混合量を調整して混合ガスの組成をフェロコークス成分の還元雰囲気とすることを特徴とするフェロコークスの製造方法を用いる。燃料ガスを燃焼する際に燃料ガスに混合する空気を予熱すること、燃料ガスを燃焼する際に燃料ガスに混合する空気に酸素を富化することが好ましい。
【選択図】図１
【解決手段】炭素含有物質と鉄含有物質との成型物を乾留してフェロコークスを製造するための竪型乾留炉に乾留ガスを吹き込む際に、乾留炉５の炉頂部から排出される炉頂排出ガスの少なくとも一部を循環ガスとして乾留ガスの一部として使用し、循環ガスと燃料ガスを燃焼して得た燃焼ガスとを混合し、該混合した混合ガスを乾留ガスとして吹き込む際に、循環ガスと燃焼ガスとの混合量を調整して混合ガスの組成をフェロコークス成分の還元雰囲気とすることを特徴とするフェロコークスの製造方法を用いる。燃料ガスを燃焼する際に燃料ガスに混合する空気を予熱すること、燃料ガスを燃焼する際に燃料ガスに混合する空気に酸素を富化することが好ましい。
【選択図】図１
Description
本発明は、竪型乾留炉を使用し連続的にフェロコークスを製造する、フェロコークスの製造方法に関する。
一般炭を主原料としてこれにバインダ（粘結剤）を加え、加圧・成型して成型炭を作り、これを竪型乾留炉に装入し冶金用コークスである成型コークスを連続的に製造する技術が知られている。このような成型コークスの製造方法として、乾留炉炉頂ガスを冷却用ガスとして、乾留炉の乾留室に直結した冷却室の下部へ導入し、該冷却室を通過したガスの大部分を冷却室上部より排出し加熱用媒体ガスとして乾留炉中間部の導入口へ供給することを特徴とする方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この方法で用いる乾留炉は、３箇所のガス導入口（乾留室中間部、乾留室下部、冷却室下部）と１箇所のガス排出口（冷却室上部）を有している。
上記の乾留炉において乾留室に吹き込むガスを加熱するために、一次加熱した循環ガスとＣガスを燃焼して得た燃焼ガスとを混合し、所定温度まで二次加熱して吹き込むガス加熱方法およびガス加熱装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
しかしながら、炭素含有物質と鉄含有物質との成型物を竪型乾留炉で乾留して、コークス中に金属鉄を生成させたフェロコークスを製造する場合に、上記のように循環ガスを一次加熱した後にＣガスを燃焼して得た燃焼ガスとを混合し、所定温度まで二次加熱して吹き込む方法を用いると、燃焼ガス混合後のガス組成が変動して、フェロコークス内の鉄鉱石が還元されなかったり、還元された金属鉄が再酸化されたり、さらにコークス成分の酸化反応が進行したりすることから、フェロコークスの強度が低下する場合がある。フェロコークスの強度が低下すると、高炉内で粉化して通気性が悪化すると言う問題がある。
したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、竪型乾留炉を用いてフェロコークスを製造する際に、フェロコークス内の成分の酸化反応の進行を防止して、フェロコークスの強度低下を防止できる、フェロ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）炭素含有物質と鉄含有物質との成型物を乾留してフェロコークスを製造するための竪型乾留炉に乾留ガスを吹き込む際に、前記乾留炉の炉頂部から排出される炉頂排出ガスの少なくとも一部を循環ガスとして前記乾留ガスの一部として使用し、前記循環ガスと燃料ガスを燃焼して得た燃焼ガスとを混合し、該混合した混合ガスを前記乾留ガスとして吹き込むフェロコークスの製造方法であって、
前記循環ガスと前記燃焼ガスとの混合量を調整して前記混合ガスの組成をフェロコークス成分の還元雰囲気とすることを特徴とするフェロコークスの製造方法。
（２）燃料ガスを燃焼する際に前記燃料ガスに混合する空気を予熱することを特徴とする（１）に記載のフェロコークスの製造方法。
（３）燃料ガスを燃焼する際に前記燃料ガスに混合する空気に酸素を富化することを特徴とする（１）または（２）に記載のフェロコークスの製造方法。
（４）混合ガスの組成を、ＣＯ／ＣＯ2が０．５以上、かつＨ2／Ｈ2Ｏが２．５以上とすることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載のフェロコークスの製造方法。
（１）炭素含有物質と鉄含有物質との成型物を乾留してフェロコークスを製造するための竪型乾留炉に乾留ガスを吹き込む際に、前記乾留炉の炉頂部から排出される炉頂排出ガスの少なくとも一部を循環ガスとして前記乾留ガスの一部として使用し、前記循環ガスと燃料ガスを燃焼して得た燃焼ガスとを混合し、該混合した混合ガスを前記乾留ガスとして吹き込むフェロコークスの製造方法であって、
前記循環ガスと前記燃焼ガスとの混合量を調整して前記混合ガスの組成をフェロコークス成分の還元雰囲気とすることを特徴とするフェロコークスの製造方法。
（２）燃料ガスを燃焼する際に前記燃料ガスに混合する空気を予熱することを特徴とする（１）に記載のフェロコークスの製造方法。
（３）燃料ガスを燃焼する際に前記燃料ガスに混合する空気に酸素を富化することを特徴とする（１）または（２）に記載のフェロコークスの製造方法。
（４）混合ガスの組成を、ＣＯ／ＣＯ2が０．５以上、かつＨ2／Ｈ2Ｏが２．５以上とすることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載のフェロコークスの製造方法。
なお、本発明で製造するフェロコークスとは、石炭と鉄鉱石とを７０ｍａｓｓ％以上含有する原料を用いて製造したフェロコークスである。フェロコークスは、鉄鉱石が一部還元されていると同時に、鉄鉱石の触媒効果でコークスの反応性を高めることができ、高炉の中でのガス利用率を高めることができる。そのために、少なくとも鉄鉱石の配合比率を５ｍａｓｓ％以上とすることが好ましく、さらに好ましくは１０ｍａｓｓ％以上である。一方で、鉄鉱石の配合比率が４０ｍａｓｓ％超であると、フェロコークスの強度が急激に低下する。したがって、鉄鉱石を、鉄鉱石と石炭の合計量の５〜４０ｍａｓｓ％とすることが好ましく、さらに好ましくは１０〜４０ｍａｓｓ％とする。上記のように配合された原料は成型機で成型され、塊成型物となる。前記塊成型物はシャフト炉型熱処理炉等の竪型乾留炉で熱風を用いた直接加熱法にて乾留され、フェロコークスが製造される。
本発明によれば、乾留炉吹き込みガスの成分を調整して、フェロコークス製造の際の雰囲気をフェロコークス成分の還元雰囲気とできるので、フェロコークス成分の鉄鉱石が還元され、還元された金属鉄が再酸化されることもなく、さらにコークス成分の酸化による強度低下を防止して、良質のフェロコークスの製造が可能となり、高炉でのフェロコークスの利用も促進される。
フェロコークスの製造に用いる竪型乾留炉としては、例えば、図１に示すような乾留炉５を用いることができる。竪型乾留炉５は、乾留室３０（低温乾留室２、高温乾留室３）、冷却室４から構成されている。この装置を用いてフェロコークスを製造する場合、フェロコークス原料である石炭等の炭素含有物質と鉄鉱石等の鉄含有物質との成型物１は、竪型乾留炉５の炉頂から炉内に装入され、炉内を降下する過程で羽口６、７から導入される加熱用熱媒体ガスにより乾留され、更に冷却ガス導入口８から導入され、冷却ガス排出口９から排出される冷却用ガスにより冷却されてフェロコークス１０として乾留炉下部から排出される。一方、炉頂から抜き出されたガスは直接クーラー１１で冷却され、循環ブロワー１２で昇圧され、一部は回収ガスとして系外に導かれ、残りは循環ガスとして系内を循環する。本発明では、竪型乾留炉の高温乾留室３に吹き込む高温乾留ガスとして、循環ガスと、燃料ガスを燃焼して得た燃焼ガスとを高温乾留ガス加熱装置１４で混合し、所定温度まで加熱した混合ガスを用いる。そして、この混合ガスを生成する際に、循環ガスと、燃焼ガスとの混合量を混合量調整手段（図示せず。）により調整して、混合後の混合ガス組成をフェロコークス成分の還元雰囲気とする。フェロコークス成分の還元雰囲気とは、フェロコークス中の成分が酸化されない雰囲気であり、フェロコークス中の酸化鉄が還元されて金属鉄となる反応を生じるような雰囲気のことである。このためには、燃料ガスを燃焼する空気を予熱もしくは酸素富化することが好ましい。燃料ガスを燃焼する空気を予熱することによって、予熱しない場合と比べ、燃料ガスと空気の燃焼によって生じた燃焼ガスの温度を高温にすることができ、乾留炉内に送り込む燃焼ガスのガスボリュームを抑えることが可能となり、結果的に乾留炉内に送り込まれるＣＯ2濃度を抑えることとなる。また、燃料ガスを燃焼する空気を酸素富化することによっても燃料ガスと酸素富化空気の燃焼によって生じた燃焼ガスの温度を高温にすることができ、結果的に乾留炉内に送り込まれるＣＯ2濃度を抑えることができる。このような手法により循環ガスと燃焼ガスとの混合後の混合ガス組成をフェロコークス成分の還元雰囲気とすることで、成分の酸化による強度低下をおこすことなくフェロコークスの製造を行うことができるようになる。
また循環ガスと燃焼ガスとの混合後の混合ガス組成中ＣＯ／ＣＯ2を０．５以上、より好ましくは０．８以上、かつＨ2／Ｈ2Ｏを２．５以上、より好ましくは３．０以上の雰囲気に制御することにより、フェロコークス成分の酸化による強度低下を確実に防止できるようになる。ここで、前記混合ガス組成中ＣＯ／ＣＯ2及びＨ2／Ｈ2Ｏの値は、フェロコークス成分の還元雰囲気であればよく、特に上限を設ける必要は無い。しかし、実際の操業においては、前記混合ガス組成中ＣＯ／ＣＯ2の値は１．２以下、Ｈ2／Ｈ2Ｏの値は５．０以下とすることが現実的な範囲となる。なお、上記比率は体積％での値である。
混合ガスの組成は、下記（ａ）〜（ｅ）に示すような方法で制御することが可能である。
（ａ）循環ガスと燃焼ガスとの混合量を調整する。循環ガスの割合を上昇させると、ＣＯ／ＣＯ2の値とＨ2／Ｈ2Ｏの値は上昇する。
（ｂ）燃料ガスを燃焼する空気を予熱することにより、燃焼ガスのガスボリュームを抑えることが可能となり、混合ガスのＣＯ2濃度を抑えることができる。
（ｃ）燃料ガスを燃焼する空気に酸素を富化することにより、燃焼ガスの温度を高温にすることができ、混合ガスのＣＯ2濃度を抑えることができる。
（ｄ）混合ガス温度を調整する。混合ガス温度を８００℃程度の低温にすることにより、燃料ガスを燃焼させる空気量を低減し、より還元雰囲気にすることができる。
（ｅ）燃料ガスを変更する。たとえば、燃料ガスをＬＮＧよりも高カロリーなガスを使用することで、より還元雰囲気にすることができる。
（ａ）循環ガスと燃焼ガスとの混合量を調整する。循環ガスの割合を上昇させると、ＣＯ／ＣＯ2の値とＨ2／Ｈ2Ｏの値は上昇する。
（ｂ）燃料ガスを燃焼する空気を予熱することにより、燃焼ガスのガスボリュームを抑えることが可能となり、混合ガスのＣＯ2濃度を抑えることができる。
（ｃ）燃料ガスを燃焼する空気に酸素を富化することにより、燃焼ガスの温度を高温にすることができ、混合ガスのＣＯ2濃度を抑えることができる。
（ｄ）混合ガス温度を調整する。混合ガス温度を８００℃程度の低温にすることにより、燃料ガスを燃焼させる空気量を低減し、より還元雰囲気にすることができる。
（ｅ）燃料ガスを変更する。たとえば、燃料ガスをＬＮＧよりも高カロリーなガスを使用することで、より還元雰囲気にすることができる。
次に図面を用いて本発明を詳細に説明する。図１において、先ずフェロコークス原料である炭素含有物質と鉄含有物質との成型物１は乾留室３０（低温乾留室２、高温乾留室３）及び冷却室４から構成される竪型乾留炉５の炉頂から炉内に装入され、炉内を降下する過程で低温ガス吹き込み羽口６、高温ガス吹き込み羽口７から導入される加熱用熱媒体ガスにより乾留され、更に冷却ガス導入口８から導入され冷却ガス排出口９から排出される冷却ガスにより冷却されてフェロコークス１０として乾留炉５下部から排出される。一方炉頂から抜出された炉頂排出ガスはガスクーラー１１で冷却され、循環ブロワー１２で昇圧され、一部は回収ガスとして系外に導かれ、残りは循環ガスとして系内を循環する。炉頂排出ガスのうち８０〜９９体積％程度を循環ガスとして使用するのが好ましい。より好ましくは、８５〜９７体積％である。循環ガスはブロワー１３で昇圧された後、熱交換装置１５で一次加熱（予熱）される。そして、この一次加熱（予熱）された循環ガスは、燃料ガスを（後述する燃焼室１６で）燃焼して得た燃焼ガスと高温乾留ガス加熱装置１４で混合され、所定温度まで二次加熱された混合ガスである、高温乾留ガスとして高温ガス吹き込み羽口７から乾留炉５内へ循環される。高温乾留ガス加熱装置１４部分の詳細は後述する。
冷却用ガスは冷却ガス導入口８から冷却室４に導入され、冷却ガス排出口９から冷却排出ガスを吸引し排出される。冷却用ガスは、循環ブロワー１２を通過する炉頂排出ガスや昇圧ブロワー１３を通過する循環ガスと同一のガスであるのが望ましい。冷却用ガスの温度は、循環ブロワー１２での循環ガスの温度〜循環ガスの温度＋３０℃の範囲であるのが望ましい。
また、熱交換装置１５で予熱された循環ガスの一部は低温乾留ガスとして低温ガス吹き込み羽口６から乾留炉５内へ導入される。熱交換装置１５で予熱された循環ガスの温度は、好ましくは６００℃から７５０℃、より好ましくは６２０℃から７３０℃である。循環ガス温度が６００℃より低い場合、乾留炉炉頂部の温度が３００℃より低い温度となり、タールの凝集による操業トラブルを招く場合がある。また、循環ガス温度が７５０℃より高い場合、乾留炉炉頂部の温度が高温になりガスシール性が損なわれることによる操業トラブルを招く恐れがある。
図２に、図１の竪型乾留炉５の高温ガス吹き込み羽口７に高温乾留ガスを吹き込む、高温乾留ガス加熱装置１４部分の構成の一実施形態を示す。熱交換装置１５で一次加熱（予熱）した循環ガス２２と高温の燃焼ガス２３を混合室２５で混合することで二次加熱して混合ガス２４として高温ガス吹き込み羽口７から乾留炉５へ導入する。混合ガス２４の温度は８００℃から１０００℃とすることが好ましく、より好ましくは８２０℃から９８０℃である。混合ガス２４の温度が８００℃より低い場合、鉄鉱石の還元率が低くなり、また、１０００℃より高い場合、還元率は十分であるが、還元により金属鉄となった鉄周辺のカーボンがガス化により劣化し強度が落ちる場合がある。燃焼ガス２３は１０００℃以上の高温燃焼ガスであるため、フレーム温度はさらに高温となる、そのため炭化水素系のガスを含む循環ガスをフレームに直接接触させ混合すると炭化水素系のガスの分解によりカーボンが発生する。発生したカーボンは煤として析出し送ガス管内に体積し、閉塞などのトラブルを引き起こす原因となる。そこで、この循環ガス２２と燃焼ガス２３の混合は燃焼ガスフレームのない混合室２５において、乾留炉５に導入する直前で行われている。この場合は、送ガス管内におけるカーボン析出はほとんど生じない。
ここで、燃焼ガス２３は燃焼室１６内で燃焼器（バーナ）１７にて燃料ガス１８を燃焼させることにより得る。この燃焼を行う燃焼用空気は燃焼空気用ブロワー１９にて供給され、燃焼用空気加熱装置（空気予熱器）２０にて予熱される。なお、前記燃料ガス１８としては、炉頂から抜出されたガスの一部を用いることができる。
また、図３は、燃焼用空気に酸素を富化する場合の一実施形態であり、燃焼空気用ブロワー１９にて供給される燃焼用空気に酸素２１を富化して供給し、燃焼ガス２３の温度を高温にし、循環ガス２２に対する燃焼ガス２３の比率を少なくしている。燃焼用空気の酸素富化率は２４体積％〜５０体積％とすることが好ましく、より好ましくは２７体積％〜４５体積％である。酸素富化率が２４体積％より少ない供給では、燃焼ガス２３の温度が低くなり、温度を上げるため燃焼量を増やす必要があるため結果的に乾留炉内に送り込まれるＣＯ2濃度を抑えることができなくなる場合があり、酸素富化率が５０体積％より多くなるとフレーム温度が高温になり、混合ガス２４の温度を目標温度にさげるための循環ガス２２のボリュームが増えるなど効率的な混合とならない場合がある。なお、ここで言う酸素富化率とは燃焼空気に酸素を加えた時の、混合気体全体に対する酸素濃度を指すものとする。
表１に、図２、図３の装置を用いて乾留炉５内に供給する混合ガス温度（高温ガス吹き込み羽口７から吹き込まれる高温乾留ガス温度）を９５０℃とした際の混合ガス２４中の成分濃度の比較を示す。
表１において、「混合ガス」は、空気予熱や酸素富化を行なわない場合の混合ガス２４の組成であり、「空気予熱有り」は図２の装置を用いて燃焼用空気を８００℃に予熱した場合、「酸素富化あり」は図３の装置を用いて燃焼用空気に酸素を４０体積％富化した場合の混合ガス２４の組成である。燃焼用空気を予熱する、あるいは燃焼用空気に酸素を富化することにより、混合ガス２４中の酸化性ガス成分（ＣＯ2、Ｈ2Ｏ）に対する還元性ガス成分（ＣＯ、Ｈ2）が変化することが判る。
図２および図３における実施形態では、空気予熱と酸素富化を個別に行っているが、両者を同時に行うことも効果的である。
以上の本発明によれば、フェロコークス成分の酸化による強度低下を防止することが可能となる。また乾留炉直近にて高温ガスを混合することから送ガス管がカーボンで閉塞されることがなく、除煤工程を設ける必要もない。従って、高温乾留ガスは連続的に乾留炉へ導入され、操業が安定する。さらに装置自体も従来に比べ簡単なものとなり、設備費、運転費に対する負担も軽減される。
図１に示すものと同様の竪型乾留炉を用い、図２、図３の設備を用いて燃焼用空気の予熱と酸素富化を行ない、空気予熱と酸素富化の条件を変更してフェロコークスを製造した。製造したフェロコークスの強度を測定した。試験結果を図４に示す。
図４において、○はフェロコークスの強度が通常のコークスに比べて９０％超えのものであり、△はフェロコークスの強度が通常のコークスに比べて８０〜９０％のもの、×はフェロコークスの強度が通常のコークスに比べて８０％未満のものであることを示している。混合ガス（高温ガス吹き込み羽口７から吹き込まれる高温乾留ガス）２４のガス組成がＣＯ／ＣＯ2が０．５以上、かつＨ2／Ｈ2Ｏが２．５以上の場合に高強度のフェロコークスが得られており、混合ガスをＣＯ／ＣＯ2が０．５以上、かつＨ2／Ｈ2Ｏが２．５以上の雰囲気に制御することにより、フェロコークス成分の酸化による強度低下を防止できるようになることが分かる。特に、混合ガスをＣＯ／ＣＯ2が０．８以上、かつＨ2／Ｈ2Ｏが３．０以上の雰囲気にした場合は、通常のコークスとほぼ同程度の強度を有するフェロコークスを得ることができた。
１ 成型物
２ 低温乾留室
３ 高温乾留室
４ 冷却室
５ 竪型乾留炉
６ 低温ガス吹き込み羽口
７ 高温ガス吹き込み羽口
８ 冷却ガス導入口
９ 冷却ガス排出口
１０ フェロコークス
１１ ガスクーラー
１２ 循環ブロワー
１３ 昇圧ブロワー
１４ 高温乾留ガス加熱装置
１５ 熱交換装置
１６ 燃焼室
１７ 燃焼器
１８ 燃料ガス
１９ 燃焼用空気ブロワー
２０ 燃焼用空気加熱装置
２１ 酸素
２２ 循環ガス
２３ 燃焼ガス
２４ 混合ガス
２５ 混合室
３０ 乾留室
２ 低温乾留室
３ 高温乾留室
４ 冷却室
５ 竪型乾留炉
６ 低温ガス吹き込み羽口
７ 高温ガス吹き込み羽口
８ 冷却ガス導入口
９ 冷却ガス排出口
１０ フェロコークス
１１ ガスクーラー
１２ 循環ブロワー
１３ 昇圧ブロワー
１４ 高温乾留ガス加熱装置
１５ 熱交換装置
１６ 燃焼室
１７ 燃焼器
１８ 燃料ガス
１９ 燃焼用空気ブロワー
２０ 燃焼用空気加熱装置
２１ 酸素
２２ 循環ガス
２３ 燃焼ガス
２４ 混合ガス
２５ 混合室
３０ 乾留室
Claims (4)
- 炭素含有物質と鉄含有物質との成型物を乾留してフェロコークスを製造するための竪型乾留炉に乾留ガスを吹き込む際に、前記乾留炉の炉頂部から排出される炉頂排出ガスの少なくとも一部を循環ガスとして前記乾留ガスの一部として使用し、前記循環ガスと燃料ガスを燃焼して得た燃焼ガスとを混合し、該混合した混合ガスを前記乾留ガスとして吹き込むフェロコークスの製造方法であって、
前記循環ガスと前記燃焼ガスとの混合量を調整して前記混合ガスの組成をフェロコークス成分の還元雰囲気とすることを特徴とするフェロコークスの製造方法。 - 燃料ガスを燃焼する際に前記燃料ガスに混合する空気を予熱することを特徴とする請求項１に記載のフェロコークスの製造方法。
- 燃料ガスを燃焼する際に前記燃料ガスに混合する空気に酸素を富化することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフェロコークスの製造方法。
- 混合ガスの組成を、ＣＯ／ＣＯ2が０．５以上、かつＨ2／Ｈ2Ｏが２．５以上とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のフェロコークスの製造方法。
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