JP2019007943A

JP2019007943A - コークス強度の評価方法

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Publication number: JP2019007943A
Application number: JP2018078607A
Authority: JP
Inventors: 野村　誠治; Seiji Nomura; 誠治野村
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2018-04-16
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2038-04-16
Also published as: JP7067226B2

Abstract

【課題】粘結材を添加して高強度コークスを製造する際、粘結材の添加によるコークス強度の向上効果を、簡便に、より精度よく行うことができる評価方法の提供。【解決手段】コークス強度を、石炭の膨張比容積との相関関係に基づいて評価する際、膨張比容積として、石炭のみをジラトメーターの反応管に充填して測定した膨張比容積ａと、石炭に粘結材を外数で例えば３％添加して混合物の膨張比容積ｂと、同反応管に、下層として粉コークスに粘結材を同じく３％添加した混合物を充填し、その上部に石炭のみを上層として充填して測定した膨張比容積ｃとを用いて、式［ｄ＝ｂ＋（ｃ−ａ）］によって表される補正膨張比容積ｄを用いる。あるいは、ジラトメーターの反応管に、下層として粉コークスに粘結材を添加した混合物を充填し、その上部に石炭に粘結材を添加して混合したものを上層として充填して測定した補正膨張比容積ｄ’を用いる。【選択図】図１

Description

本発明は、石炭を乾留して高炉用コークスを製造する際にコークスの強度を評価する方法に関する。

粘結材をコークス製造用の原料炭に添加することで、コークス強度を向上させる技術が広く知られている。
その場合、得られるコークス強度向上の程度は、使用する石炭の種類、粘結材の種類や添加量によって異なるため、実操業では、事前に向上度を予測することが重要である。
向上度を予測するための一つの方法は、石炭と粘結材の混合物を試験コークス炉で乾留して、得られたコークスのコークス強度を評価することである。しかし、試験コークス炉で処理する石炭は数１０kgであること、また乾留に１０〜２０時間かかること、その他に乾留後のコークス冷却時間やコークス強度の測定時間を考慮すると、この方法では時間および労力がかかるという問題がある。

もう一つの方法は、JIS M 8801で規定されるジラトメーター法により石炭の膨張比容積を測定して評価する方法である。この方法は、特許文献１に示されているように、ジラトメーターを用いて測定される膨張比容積とコークス強度ＤＩの間に相関があることに基づくもので、石炭に粘結材を添加した混合物を加熱して全膨張率を測定し、全膨張率から計算された膨張比容積によって粘結材の添加によるコークス強度の向上効果の評価を行うものである。この方法では、使用する石炭は数ｇであり、試験時間も２時間程度であって、簡便に実施することができる。

特開２００２−１２１５６５号公報

石炭に粘結材を添加してコークスを製造する場合でも、ジラトメーター法を用いて測定した膨張比容積とコークス強度には相関があると考えられる。
しかしながら、本発明者がそれらの関係について調査した結果、従来のJIS M 8801で規定される方法により測定された膨張比容積を用いる場合には、粘結材の添加によるコークス強度の向上効果の評価にばらつきがあることが判明した。
図４に、ＪＩＳに規定されたジラトメーター法を用いて測定した膨張比容積とコークス強度ＤＩの関係を調べる試験を行い、得られた結果の一例を示す。

この試験では、図１ａ（ＪＩＳ法）に示すように、種々の石炭を外数で３質量％の粘結材と混合し、その混合物をJIS M 8801で規定されたジラトメーターの反応管１に充填し、JIS M 8801で規定された標準条件（３００℃から５５０℃まで加熱速度を３℃/minとする条件）で加熱して、ピストン２の変位から全膨張率を測定して膨張比容積を求めるとともに、それぞれの混合物を試験炉で乾留してコークス強度ＤＩを測定した。なお、以上の試験では、コークス強度ＤＩとしては、表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆（以降、単に「ＤＩ」と記載する場合がある。）を測定した。また、反応管への混合物の充填嵩密度は一定になるようにした。

図４に示されるように、膨張比容積が増加するとＤＩも増加する結果が得られているが、一方で、コークス強度と膨張比容積の関係を示すプロットに、図４で示す通り、ばらつきがあることがわかった。
そこで、本発明は、粘結材の添加によるコークス強度の向上効果に対する評価を、簡便な方法でより精度よく行うことができる評価方法を提供することを課題とする。

上記の図４のようなばらつきの生じる原因について、ジラトメーターでの加熱とコークス炉の炭化室での加熱の違いに着目して検討した。
その結果、実際の炭化室では、炉壁側が先に温度が上昇するため、炉壁側の粘結材が揮発してその一部が炭化室中心側の低温側に位置する石炭に作用するが、全体を均一に加熱するジラトメーターでは、この揮発成分による作用を評価することができていなかったことが考えられた。
そこで、石炭と粘結材の混合物の膨張比容積をジラトメーター法を用いて測定する際、
粘結材を別に揮発させ、その揮発成分による膨張比容積向上代を含めて膨張比容積を評価できるようにし、それによって得られた補正膨張比容積を用いることにより、コークス強度との相関が大幅に向上することを見出した。

本発明は、そのような知見に基づいてなされたもので、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）粘結材を添加した石炭を乾留して製造したコークスのコークス強度を、石炭の膨張比容積との相関関係に基づいて評価する方法において、
膨張比容積として、石炭をジラトメーターの反応管に充填して測定した膨張比容積ａと、石炭に粘結材を添加して混合したものをジラトメーターの反応管に充填して測定した膨張比容積ｂと、ジラトメーターの反応管に、下層として粉コークスに粘結材を添加した混合物を充填し、その上部に石炭のみを上層として充填して測定した膨張比容積ｃとを用いて下記の式によって表される補正膨張比容積ｄを用いることを特徴とするコークス強度の評価方法。
ｄ＝ｂ＋（ｃ−ａ）

（２）粘結材を添加した石炭を乾留して製造したコークスのコークス強度を、石炭の膨張比容積との相関関係に基づいて評価する方法において、
膨張比容積として、ジラトメーターの反応管に、下層として粉コークスに粘結材を添加した混合物を充填し、その上部に石炭に粘結材を添加して混合したものを上層として充填して測定した膨張比容積ｄ’を用いることを特徴とするコークス強度の評価方法。

（３）前記の粘結材は、タール、ピッチ、石油系重質油および重質残渣の１種以上であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のコークス強度の評価方法。

コークス強度を膨張比容積に基づいて事前に評価する際に、本発明による粘結材の揮発分を考慮した補正膨張比容積を用いることにより、精度よく評価することができる。

ジラトメーター法における反応管への石炭の充填方法を説明する図であり、図１ａは、JIS M8801で規定された石炭の充填方法（ＪＩＳ法）を示し、図１ｂは、本発明の石炭の充填方法（分割法）を示す。石炭と粘結材の混合物について、本発明で用いる補正膨張比容積の測定法の一例を説明するための図である。石炭と粘結材の混合物について、本発明の補正膨張比容積の測定法の他の例を説明するための図である。石炭と粘結材の混合物についてＪＩＳ法により測定した膨張比容積と、その混合物を用いて製造したコークスのコークス強度ＤＩとの関係を示す図である。本発明により求めた補正膨張比容積と、石炭と粘結材の混合物を用いて製造したコークスのコークス強度ＤＩとの関係を示す図である。

粘結材を添加した石炭を原料として乾留した場合に、原料の膨張比容積とコークス強度の相関にばらつきが発生する原因について検討した。
その際に、発明者は、まず、ジラトメーターでの加熱とコークス炉の炭化室での加熱の違いによる粘結材の作用の違いについて着目した。

粘結材は、それを添加した部位の石炭に対してのみ粘結性向上効果をもたらすだけでなく、加熱されて揮発した粘結材成分が別の部位に移動し、その部位の石炭を改質して粘結性向上効果をもたらすものと考えられる。
このため、全体が均一に加熱されるジラトメーターの加熱では、加熱されて揮発した粘結材が別の部位に移動することはないが、コークス炉の炭化室では、高温の炉壁に近い石炭から炉中央の石炭まで大きな温度分布があるため、実際のコークス炉の加熱では、ジラトメーターの加熱に対して粘結材の作用に差が出ることが予想される。

すなわち、炭化室内では炉壁側から熱が供給されるため、炉壁側の方が炭化室中心側（炭中側）よりも高温である。このため、粘結材成分のうち低温で揮発する成分の一部は、温度が低い炭中側に移動し、そこで凝縮する。このため、炭中側では、低温揮発成分が見かけ上多く存在することになる。従来の均一加熱系のジラトメーターでは、この低温揮発成分による効果を評価することができていなかったと考えられる。

そこで、発明者は、炭化室で起きる現象をジラトメーターの反応管内で再現し、加熱して揮発した粘結材による改質効果を評価する方法について検討した。そして、石炭層の下層から粘結材を揮発させる方法を考案した。
具体的には、図１ｂに示すように、ジラトメーターの反応管１の下部に、液体状の粘結材を混合した粉コークスを充填する。さらにその上に、石炭を充填し、ジラトメーター法の標準条件である、３００℃から５５０℃まで加熱速度３℃/minで加熱し、石炭層の高さ変化を測定する。以後、この粘結材の揮発成分による影響を取り出す方法を分割法と呼ぶ。

この分割法による測定では、粉コークス中に混合された粘結材が加熱により揮発し、上部の石炭層に移動し、石炭を改質して石炭の全膨張率を向上させる。この測定では、加熱中も粉コークスの層は変化しないため、石炭のみで測定した全膨張率に、揮発した粘結材による膨張率の向上代が付加された値が測定できる。
そのような加熱により揮発した粘結材による改質効果を確認するために、ジラトメーター法による測定結果と比較する試験を行った。

表１に示す全膨張率が同じ２種の石炭を用い、下記の条件で測定を行った。なお加熱は、上記標準条件で行った。
（ａ）石炭のみを反応管に充填して加熱（粘結材添加なし）
（ｂ）石炭に、粘結材を石炭に対する外数で３質量％添加し混合したものを反応管に充填して加熱（粘結材３％添加）
（ｃ）反応管に、下層として、粉コークスに上記（ｂ）と同量の粘結材（石炭に対する外数で３質量％添加）を添加し混合したものを充填し、その上部に石炭のみを上層として充填して加熱（分割法で粘結材３％添加）
それぞれの条件で反応管を加熱して膨張比容積を測定した結果を表２に示す。

表２の結果から、粘結材を粉コークスに混合した層を上部石炭層の下に置いた（ｃ）では、そのような層のない（ａ）よりも上部石炭層の膨張比容積が増加する結果が見出された。これは、粉コークスに混合された粘結材中の低温揮発成分は、揮発してその一部が上部の石炭層にトラップされた結果と考えられる。
また、Ａ炭とＢ炭では、上層部石炭層の膨張比容積向上代［(ｃ)−(ａ)］に差があったことから、炭種により上層部石炭層の比容積向上代が異なることも見出された。

この試験の結果から、石炭に粘結材を添加した場合の膨張比容積の測定については、上記（ｂ）のような従来のＪＩＳに規定されたジラトメーター法による測定では、粘結材に含まれる低温揮発成分による膨張比容積の向上分が評価できないこと、および、上記（ｃ）のようにすれば、粉コークスに粘結材を混合した層から揮発した成分による影響が評価できることが確認できたので、次に、石炭に粘結材を添加した場合の膨張比容積の測定方法について検討した。その結果、次の方法が考えられた。

第一の方法は、上述の分割法により膨張比容積向上代［(ｃ)−(ａ)］を分離して取り出して、従来の測定値（ｂ）に加算する方法である。
すなわち、図２に示すように、石炭のみを反応管１に充填してジラトメーター法により測定した膨張比容積ａ（図２ａ参照）と、石炭に粘結材を一定量添加して混合したものを同じくジラトメーター法により測定した膨張比容積ｂ（図２ｂ参照）と、反応管１に、下層として粉コークスに前記一定量と同量の粘結材を添加した混合物を充填し、その上部に石炭のみを上層として充填してジラトメーター法により測定した膨張比容積ｃ（図２ｃ参照）とを用いて下記の式によって表される補正膨張比容積ｄを用いて評価する。
ｄ＝ｂ＋(ｃ−ａ)

第二の方法は、上述の分割法により粘結材の揮発成分を取り出し、それを石炭と粘結炭の混合層に作用させた結果を測定する方法である。
すなわち、図３のように、ジラトメーターの反応管１に、下層として粉コークスに粘結材を添加した混合物を充填し、その上部に石炭に粘結材を添加して混合したものを上層として充填して補正膨張比容積ｄ’を測定する。

以上のような、従来の膨張比容積の測定方法に対して、粘結材の揮発成分による効果を評価して補正する方法の有効性を検証するために、表１のＡ炭とＢ炭に加え、さらに、Ａ炭とＢ炭よりも全膨張率TDの低いＣ炭とＤ炭（表３参照）を追加し、Ｃ炭とＤ炭については、上記第１の方法を実施し、従来の膨張比容積ａ、ｂと、分割法による膨張比容積ｃを測定し、補正膨張比容積ｄを求めた。
また、Ａ〜Ｄ炭について、上記第２の方法を実施して膨張比容積ｄ’を測定した。

表４に、Ａ〜Ｄ炭について、従来の膨張比容積ｂの値と補正膨張比容積ｄ、ｄ’の値を示す。ＪＩＳの規定で測定した膨張比容積ｂでは同じＡ炭、Ｂ炭でも、補正膨張比容積では異なった値となり、より精度が向上していることが分かる。
また、Ａ炭、Ｂ炭、Ｃ炭については、補正膨張比容積ｄとｄ’はほぼ一致することがわかる。
Ｄ炭についても補正膨張比容積ｄとｄ’は概ね近い値となるが、Ａ炭、Ｂ炭、Ｃ炭に比べると精度はやや低下する。このことから、補正膨張比容積ｄ’は全膨張率１０％以上の石炭に対して用いることがより好ましい。

次に、補正膨張比容積を用いることの有効性を確認するために、先の図４を求めた試験と同じＡ炭とＢ炭を用いて、図２の方法で膨張比容積向上代を測定し、その測定値を先の試験で得られた粘結材添加３質量％での膨張比容積に加算して補正膨張比容積ｄを得た。
ここで得られた補正膨張比容積ｄと先の試験で得られたコークス強度の関係をプロットした結果を図５に示す。
図５では、図４の各プロットに対して、それぞれに求められた膨張比容積向上代が加算された結果、各プロットはそれぞれの膨張比容積向上代分だけ右側にシフトしている。その結果、図５に示すように、補正膨張比容積とコークス強度の関係を示すプロットでは、図４と比較して、ばらつきが解消されていることが確認できた。

したがって、ある石炭でコークスを製造する際のコークス強度を推定するには、図２に示す方法で使用する石炭の補正膨張比容積を測定し、図５に示される補正膨張比容積とコークス強度の関係を求め、その関係に基づいてコークス強度をより精度良く推定することができる。
図３に示す方法を用いても、使用する石炭の補正膨張比容積を測定し、上記と同様にコークス強度を推定することもできるが、その場合は、全膨張率１０％以上の石炭に対して用いることがより好ましい。

コークス強度の推定の際、膨張比容積は、石炭が単味炭の場合は実測値を用い、配合炭の場合は各単味炭の実測値の加重平均値を用いればよい。
また、図５は、粘結材添加量および石炭の充填嵩密度を一定にした結果であり、図５でも、粘結材添加量や石炭の充填嵩密度が異なる場合の粘結材の添加効果を評価できるが、粘結材添加量や石炭の充填嵩密度が異なる条件で、補正膨張比容積ｄまたはｄ’とコークス強度の関係を求めおくことにより、コークス強度をより精度よく推定することができる。

以上のような本発明は、例えば、強粘結炭を含む通常の配合炭用の石炭を通常の粉砕率（例えば、３ｍｍふるい下７０〜９０質量％程度）で粉砕した石炭に粘結材を添加してコークスを製造する際のコークス強度の評価に適用することができる。
また、石炭に添加する粘結材は、使用温度において液体状、固体状のいずれも使用可能であり、タール、ピッチ、石油系重質油および重質残渣など、通常のものが使用できる。また、これらの粘結材は、組み合わせて用いても良い。下層の粉コークス層に粘結材を添加するにあたり、固体粘結材の場合は、粉コークス層と充分に混合することが好ましい。

Claims

粘結材を添加した石炭を乾留して製造したコークスのコークス強度を、石炭の膨張比容積との相関関係に基づいて評価する方法において、
膨張比容積として、石炭をジラトメーターの反応管に充填して測定した膨張比容積ａと、石炭に粘結材を添加して混合したものをジラトメーターの反応管に充填して測定した膨張比容積ｂと、ジラトメーターの反応管に、下層として粉コークスに粘結材を添加した混合物を充填し、その上部に石炭のみを上層として充填して測定した膨張比容積ｃとを用いて下記の式によって表される補正膨張比容積ｄを用いることを特徴とするコークス強度の評価方法。
ｄ＝ｂ＋（ｃ−ａ）
粘結材を添加した石炭を乾留して製造したコークスのコークス強度を、石炭の膨張比容積との相関関係に基づいて評価する方法において、
膨張比容積として、ジラトメーターの反応管に、下層として粉コークスに粘結材を添加した混合物を充填し、その上部に石炭に粘結材を添加して混合したものを上層として充填して測定した補正膨張比容積ｄ’を用いることを特徴とするコークス強度の評価方法。
前記の粘結材は、タール、ピッチ、石油系重質油および重質残渣の１種以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のコークス強度の評価方法。