JP2014077086A - 高炉用高反応性コークスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオマスを用いて高炉用コークスを製造する方法において、コークスのガス反応性を改善する。
【解決手段】バイオマスを熱分解して回収したチャーをコークス製造用の配合炭に添加して高炉用コークスを製造する方法において、粒径１ｍｍ以下のチャーを配合炭に添加して、コークス炉で乾留することを特徴とする高炉用高反応性コークスの製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマスを用い、高炉操業に用いるガス反応性の高い高炉用コークスを製造する方法に関するものである。

従来から、室式コークス炉を用いた高炉用コークスの製造において、粘結炭に比べて埋蔵量が多く、安価な非微粘結炭の配合割合を増加し、かつ、冷間強度などの品質に優れたコークスを製造する方法が種々提案されている（例えば、特許文献１〜４、参照）。しかし、従来の製造方法においては、所望のコークス強度が得られていないのが現実である。

近年、製造方法における実情に加え、地球規模での温暖化問題への対応が進められていて、二酸化炭素の発生量の低減、一般及び産業廃棄物のリサイクル又はエネルギーとしての利用などが検討されている。

この中で、特に、バイオマスはカーボンニュートラルであり、気候変動枠組条約締結国会議（ＣＯＰ３〜６、ＣＯＰ；The Conference Of the Party）での国際公約を達成するため、石油、石炭などの代替資源として、積極的に使用することが望まれている。

このことを踏まえ、バイオマスを原料として用いる高炉用コークスの製造方法が幾つか提案されている（例えば、特許文献５〜８、参照）。

特許文献６に記載の高炉用コークスの製造方法によれば、バイオマスの有効利用及びＣＯ₂発生量の削減を実現できる他、乾燥炭搬送時の発塵及び乾燥炭装入時の微粉炭キャリーオーバーを抑制して、所要の強度と粒径を有する高炉用コークスを製造することができるが、ガスとの反応性の点で課題が残っている。

特公昭６３―１５９５０号公報 特開平０７−８２５６８号公報 特開平０８−２３９６６９号公報 特開平０６−２６４０６９号公報 特許第４１３９２６０号公報 特許第４０５０９９２号公報 特開２００４−３５９８９８号公報 特開２０１２−０１７５２８号公報

従来技術の実情に鑑み、本発明は、バイオマスを用いて高炉用コークスを製造する方法において、コークスのガス反応性を改善することを課題とし、該課題を解決する高炉用コークスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決する手法について鋭意検討した。バイオマスを用いる場合、熱分解して生成したチャー（以下「バイオマスチャー」ということがある。）を配合炭に添加するが、粒度１ｍｍ以下のバイオマスチャーを配合炭に添加してコークスを製造すると、ガス反応性の高いコークスを製造できることを見いだした。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は、以下の通りである。

（１）バイオマスを熱分解して回収したチャーをコークス製造用の配合炭に添加してコークス炉で乾留する高炉用コークスの製造方法において、前記チャーの直径が１ｍｍ以下であることを特徴とする高炉用高反応性コークスの製造方法。

（２）前記チャーを３〜５質量％配合炭に添加することを特徴とする前記（１）に記載の高炉用高反応性コークスの製造方法。

（３）前記チャーを添加した配合炭を乾燥して、水分量を２〜６％に調整することを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の高炉用高反応性コークスの製造方法。

（４）前記チャーが、バイオマスを熱分解して得た残部油分を乾燥して得たチャーであるであるすることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の高炉用高反応性コークスの製造方法。

本発明によれば、バイオマスを活用して、所要の強度と粒径を備え、かつ、ガスとの反応性が高い高炉用コークスを製造することができる。また、本発明によれば、バイオマスを資源リサイクル化し、かつ、ＣＯ₂の発生量を削減することができる。

バイオマスを用いたコークス製造プロセスの一例を示す図である。 配合炭に添加するバイオマスチャーの粒径とコークスの反応性との相関を示す図である。

本発明の高炉用高反応性コークスの製造方法（以下「本発明方法」ということがある。）は、粒径１ｍｍ以下のチャーを配合炭に添加して、コークス炉で乾留することを特徴とする。以下、図面に基づいて説明する。

本発明方法において用いるバイオマスは、以下のＦＡＯ（国連食糧農業機関）に定義に準じて定義される。

ＦＡＯ（国連食糧農業機関）によれば、バイオマスとは生物量の総称であり、農業系（麦わら、サトウキビ、米糠、草木等）、林業系（製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪炭林等）、畜産系（家畜廃棄物）、水産系（水産加工残滓）、廃棄物系（生ごみ、ＲＤＦ（ゴミ固形化燃料；Refused Derived Fuel）、庭木、建設廃材、下水汚泥）等に分類される。本発明方法において用いるバイオマスは、木質系バイオマスが好ましい。

図１に、バイオマスを利用した高炉用コークスの製造プロセスの一例を示す。バイオマスは、外熱式の乾留炉１に供給され、非酸化性雰囲気で、少なくとも１０００℃以上に過熱され、熱分解される。生成物として、固形分のバイオマスチャー、常温で液体の油分、及び、ガスが生成する。

生成物のうち、バイオマスチャーは、乾留炉１から排出され、コークス製造用の原料として回収される。また、生成物のうち、高温状態のガス及び油分は、乾留炉１から排出された後、ガス冷却器２でガスと油分に分離される。

この油分には、バイオマスチャーから発生する水分を含有するので、油水分離器３で油分と水分に分離する。油分は、油分タンク５に一旦貯蔵され、分離した水分は、発生水タンク４に回収される。

バイオマスの熱分解で生成する油分には、化学工業において利用価値の高い化学原料が含まれる。そのため、油分は、油分抽出機８に供給され、化学原料と、その残りの油分（以下「残部油分」ということがある。）に分離される。

化学原料は、抽出液タンク９に貯蔵され、残部油分は、乾燥後のコークス原料炭の添加剤として、添加油分ホルダー１０に一旦貯蔵される。化学原料は、例えば、酢酸、アルコール類、フェノール類など、化学工業において利用価値の高い化学成分が好ましい。

石炭配合槽の石炭フィーダー（図示せず）から、各種銘柄の石炭を所定量切り出して、コークス製造用の配合炭（１種類又は２種類以上の銘柄の石炭が所定割合で配合された原料炭）とする。配合炭中の水分量は、原料ヤードの状況（天候、季節等）によって変化するが、通常、９％前後である。

バイオマスチャーは、バイオマスチャー添加装置１９により、配合炭に所定量（後で説明する。）添加される。バイオマスチャーが添加された配合炭は、石炭乾燥機１１で乾燥される。バイオマスチャー中の水分量は、少なくとも６％以下に低減する。

残部油分は、バイオマス油分添加装置１８で、乾燥後の配合炭に所定量（後で説明する。）添加される。残部油分が添加された乾燥後の配合炭は、ベルトコンベア１２でコークス炉１７の炉頂に配置した石炭塔１６まで搬送されて、コークス炉１７の炭化室に装入される。バイオマスチャーは、乾燥後の配合炭に添加してもよい。

本発明者らは、配合炭にバイオマスチャーを添加して製造した高炉用コークスにおいては、ガスとの反応性の点で課題が残っていることに鑑み、ガスとの反応性を改善することを試みた。

本発明者らは、バイオマスチャーが多孔質であることに着目し、配合炭に添加するバイオマスチャーの粒径とガス反応性の相関について調査した。その結果を図２に示す。図２から、配合炭に添加するバイオマスチャーの粒径が１ｍｍ以下であると、コークスのＪＩＳ反応性が、４４％以上に顕著に向上し、通常のコークスのガス反応性が３２〜４０％であるのに比較して、従来にない高いガス反応性のコークスが得られることが解る。それ故、本発明方法においては、配合炭に添加するバイオマスチャーの粒径は１ｍｍ以下とする。

バイオマスチャーの粒径は小さいほど好ましく、特に下限を設定する必要はないが、実際には、０．１ｍｍ程度が下限となる。

次に、バイオマスチャーの添加量について説明する。

バイオマスチャーは、乾燥前又は乾燥後の配合炭に添加すると、コークス炉での乾留工程において、次の効果が発現する。

通常、室式コークス炉での配合炭の乾留は、燃焼室の熱で加熱された炉壁近傍の石炭が軟化し、熱分解で揮発成分が脱離した後、再固化し、その後、熱収縮してコークス化される。

コークス化反応が両側の炉壁から炭化室中心部に向かって進行するが、再固化後、熱収縮過程で、炉壁面に平行な方向に熱応力が発生し、その応力集中部から亀裂が発生する。亀裂は、壁面側から炭化室中心部の方向へコークス化の進行に伴い進展する。

コークス中の大きな亀裂は、コークス押し出し後の成品コークスの平均粒径を低下させ、粉コークスを増加させる原因となるが、バイオマスチャーは、石炭が再固化する温度域における収縮率が、石炭に比べて小さいので、バイオマスチャーを添加した配合炭を乾留すると、上記再固化後の熱収縮過程で亀裂が発生した場合には、亀裂先端部のエネルギーが、バイオマスチャー粒界近傍での微小亀裂の発生により開放されて、さらなる亀裂伝播が阻止される。

その結果、コークス中の大きな亀裂は減少し、成品コークスの平均粒径は増大し、粉コークス量は減少する。即ち、バイオマスチャーの添加で、所要の粒径を有する高強度のコークスを製造することができる。

また、バイオマスチャーは、従来の粉コークスに比べ収縮率は変わらないが、気孔量が多く、嵩密度が大きく、さらに、従来の無煙炭に比べ揮発成分がないので、収縮率が小さい。

そのため、従来の粉コークスや無煙炭などの添加量に比べ少ない添加量で、成品コークス中の大きな亀裂の発生の抑制、及び、平均粒径の増大などの効果を得ることができる。

バイオマスチャーの添加効果は、１質量％以上の添加で得られるが、粒径１ｍｍ以下のバイオマスチャーを用いる場合は、前述のようにコークス塊内にバイオマスチャー粒界近傍に微小亀裂が発生することにより、コークス中の大きな亀裂が減少し、成品コークスの平均粒径が大きくなる効果を顕著に発揮させるためには３質量％以上の添加が好ましい。

バイオマスチャーの添加量を増大すると、成品コークスの強度は低下するが、この強度の低下量は、粉コークスや無煙炭を添加した場合に比べて小さいので、多量に添加することが可能であるが、５質量％を超えて添加すると、成品コークス強度の低下を無視できずないので、添加量の上限は５質量％が好ましい。よって、本発明方法において、バイオマスチャーの添加量は３〜５質量％が好ましい。

バイオマスチャーを配合炭に添加した後、コークス炉に装入する際の嵩密度を高くして、強度の高いコークスを製造するため、バイオマスチャー添加配合炭を乾燥して、水分量を２〜６％に調整する。バイオマスチャーは、水分量を２〜６％に調整した配合炭に添加してもよい。水分量は、コークス炉に装入する石炭の嵩密度を高くするために２〜６％が好ましい。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例）
杉の廃材（林業系バイオマス）を、乾留炉で、１０００℃、５時間、乾留して熱分解し、熱分解生成物として、バイオマスチャー：２６質量％、油分：２１質量％、水分３０質量％、ガス：２３質量％を得た。

図１に示すコークス製造プロセスにおいて、杉の廃材から得たバイオマスチャーを用い、表１に示す条件で高炉用コークスを製造し、ＤＩ¹⁵⁰ ₁₅（−）、平均粒径（ｍｍ）、及び、ＪＩＳ反応性（％）を測定した。結果を表１に併せて示す。

表１から、バイオマスを活用して、所要の強度と粒径を備え、かつ、ガスとの反応性が高い高炉用コークスを製造できることが解る。

前述したように、本発明によれば、バイオマスを活用して、所要の強度と粒径を備え、かつ、ガスとの反応性が高い高炉用コークスを製造することができる。また、本発明によれば、バイオマスを資源リサイクル化し、かつ、ＣＯ₂の発生量を削減することができる。よって、本発明は、技術的のみならず経済的な効果は非常に大きく、産業上の利用可能性が高いものである。

１ 乾留炉
２ ガス冷却器
３ 油水分離器
４ 発生水タンク
５ 油分タンク
６ ガスブロワー
７ ガスホルダー
８ 油分抽出機
９ 抽出液タンク
１０ 添加油分ホルダー
１１ 加熱乾燥機
１２ ベルトコンベア
１３ ダクト
１４ フード
１５ バグフィルター
１６ 石炭塔
１７ コークス炉
１８ バイオマス油分添加装置
１９ バイオマスチャー添加装置

Claims (4)

1. バイオマスを熱分解して回収したチャーをコークス製造用の配合炭に添加してコークス炉で乾留する高炉用コークスの製造方法において、前記チャーの直径が１ｍｍ以下であることを特徴とする高炉用高反応性コークスの製造方法。
2. 前記チャーを３〜５質量％配合炭に添加することを特徴とする請求項１に記載の高炉用高反応性コークスの製造方法。
3. 前記チャーを添加した配合炭を乾燥して、水分量を２〜６％に調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉用高反応性コークスの製造方法。
4. 前記チャーが、バイオマスを熱分解して得た残部油分を乾燥して得たチャーであるであるすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高炉用高反応性コークスの製造方法。

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