JP4036491B2

JP4036491B2 - 流動床乾燥分級高温加熱機及びその操業方法

Info

Publication number: JP4036491B2
Application number: JP00646496A
Authority: JP
Inventors: 横溝正彦; 中嶋義明; 小倉正美
Original assignee: 社団法人日本鉄鋼連盟
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2016-01-18
Also published as: JPH09194848A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コークス炉用石炭の水分乾燥及び加熱装置として用いる流動床乾燥分級高温加熱機、及びその操業方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コークス炉に装入する石炭の付着水分を乾燥して、コークス炉での乾留時間を短縮する操業は既に多く開示されている。
【０００３】
石炭を乾燥すると、微粉部分が急激に発塵し易くなる。それは、粗粒炭の周囲に付着していた微粉炭及び／又は微粉炭同志が凝集して形成していた擬似粒子が水分の低下に伴い崩壊し発塵し易くなるためである。
【０００４】
水分乾燥機としては、ドラム式乾燥機や円筒型ドラム内に細いチューブを配設し、そのチューブ内に過熱蒸気を通しその外側を包むドラムとの間に石炭を装入しドラム全体を回転させることにより水分乾燥及び加熱する方式や、逆にチューブ内に石炭を通し外側に過熱蒸気を通して加熱する方式、或いは４０ｍ以上の垂直上向きの気流塔による乾燥予熱装置など、石炭付着水分の乾燥や予熱に関する技術は様々に提案されている。
【０００５】
また発塵原因となる微粉部分と粗粉炭とに分離し、微粉部分を粗粉炭と別なルートにて処理する方法は、既に多く提案されている。特開昭５７−５３５８７号公報には、水分調整と分離する技術が述べられ、特開昭５８−８０３８７号公報には、水分含有率を３重量％以下に調整した乾燥炭を微粉炭と粗粉炭に分離する技術が提案されている。
【０００６】
しかし、乾燥加熱した石炭のコークス炉への搬送中の発塵には、単純な微粉炭の発塵のみならず、乾燥後の石炭に残留付着する水分が搬送過程で蒸発し、これに同伴されて微粉炭が発塵するケースのあることが著者らの調査で明らかになってきた。この水分蒸発を防止する方法として、乾燥分級機を出た後の７０〜１００℃前後の石炭を冷却し、温度を下げて搬送中の残留水分の蒸発を低く抑えることが有効であり、分級機の後段に石炭粒子冷却機を別個に設置することが必要となる。特開平７−８２５６８号公報では、石炭を乾燥した後にコークス炉への搬送工程での蒸発抑制の目的で、石炭を冷却する方法を提案している。
【０００７】
一方、石炭付着水分を乾燥する際に急激に加熱すると、石炭粒子の熱割れを起こす場合がある。石炭粒子の層状に形成されたミクロな層間に滲み込んだ水分が、急激な加熱により膨張し石炭粒子を破壊することがあるからである。これも発塵に対して悪影響をもたらすものであり、過剰な微粉砕を避けなければならない。そこで、乾燥加熱プロセスとしてはまず１００℃前後まで１，０００℃／分未満の低速昇温で昇温し、内部水分を拡散現象で粒子表面に移動蒸発させ、同時に微粉炭を分離して残った粗粒炭を、後段にて急速に昇温する装置に分ける必要があった。
【０００８】
コークス炉用炭を分級機能付き気流乾燥機にて乾燥し、装入炭に含まれるある粒子径以下の微粉炭を除去した後、粗粒炭のみを残して加熱する方法は、特開平７−１０９４６５号公報に提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、水分含有率をある値以下に調整した乾燥炭を、微粉炭と粗粒炭に分離する乾燥分級機を出た後に、石炭温度を低下させる方法として、特開平７−８２５６８号公報では、石炭粒子冷却装置を独立に設けることを提案している。また、特開平７−１０９４６５号公報には、石炭粒子をまず加熱乾燥し、乾燥後の粒子内部水分を拡散現象で粒子表面に移動蒸発させた上で、微粉炭を分離して残った粗粒炭を、後段にて急速に昇温する方法を提案し、乾燥機の後段に乾燥機と別個に石炭加熱機を設けることを提案している。
【００１０】
これらの方法は、いずれも石炭乾燥及び分級装置の後に、独立した冷却機又は加熱機を設ける方法であるが、既設設備の周辺に石炭乾燥機を設けるケースの多い現実の工場においては、敷地余裕の無いことが多く、また設備費が嵩むために設備の効率化が不可欠な課題であった。
石炭を平均温度２００℃まで加熱する技術は最近では気流塔式加熱機など知られている。しかし、気流加熱塔により、急速加熱すると石炭粒子は包蔵する水分の急激な膨張により、熱割れ現象を起こし細粒化し、コークス炉での装入嵩密度の低下やキャリーオーバー及び／又はコークス炉への搬送中の発塵要因となる。
また気流塔式加熱装置では、石炭粒子とガスの接触時間が制御しにくく、４５ｍの塔高の装置でも１．５秒程度しか接触できない。粒子径分布の大きい石炭を対象にする場合、粗粒子中の水分の蒸発・昇温が不充分になる。
また、非微粘結炭と言われる石炭の粘結性改善方法として、数１，０００℃／分以上の速度で４００℃付近まで急速加熱する技術が近年研究されているが、課題の１つとして、石炭の細粒化を増加させずに急速加熱する技術がのぞまれてきた。此の温度領域では石炭の軟化溶融域に近接していることから、過昇温は石炭劣化をもたらす。
【００１１】
本発明は、それらの課題を解決する方法を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
下部のプレナム室から、分散板を介して上部のフリーボード部に加熱した気体を吹き込み、分散板上に供給したコークス炉用原料石炭を流動化させ横方向に移動させる流動化部の途中の分散板の高さを前記石炭の流動化状態での層厚以上の落差で低くして段差を設けるとともに、石炭が移動可能にプレナム室及びフリーボード部に前記段差位置に仕切板を設け、かつ該仕切板により分割された前段部を乾燥・分級部とし、後段を高温加熱部としたことを特徴とする流動床乾燥分級高温加熱機である。
【００１６】
下部のプレナム室から、分散板を介して上部のフリーボード部に加熱した気体を吹き込み、分散板上に供給したコークス炉用原料石炭を流動化させ横方向に移動させる流動化部の途中の分散板の高さを前記石炭の流動化状態での層厚以上の落差で低くして段差を設け、該段差位置に設けた仕切板により分割された前段部でコークス炉用石炭原料にプレナム室から加熱した低湿度気体を供給して乾燥、分級し、段差位置において乾燥後の石炭を移動落下させ、段差位置後段で高温低湿度気体を供給して高温加熱することを特徴とする流動床乾燥分級高温加熱機の操業方法である。
【００１７】
また、フリーボード部と分級室とを独立に設けた装置においては、分級室はフリーボード部の一部分の断面積及び／又は高さを変形させたものであり、本発明でのフリーボード部には分級室を含むものとする。
【００１８】
なお、ここでは乾燥及び加熱に用いる加熱した低湿度気体は、高い顕熱を有する燃焼排ガスを用いる。
【００１９】
石炭を昇温しながら水分乾燥を目的とする前段の乾燥工程においては、低湿度で且つ石炭の変質を起こさない様に含有酸素が５％未満の燃焼排ガスが好ましい。
【００２０】
後段で高温加熱をする工程では供給ガス温度が３００℃を越えることから、自然発火や炭塵爆発を防止する目的から、含有酸素濃度が１％未満のガスが良い。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明による、流動床乾燥分級高温加熱機の構造と運転方法を図１を用いて詳細に説明する。
【００２２】
コークス炉操業においては、石炭の水分乾燥とそれに伴って増加する石炭搬送中の発塵やコークス炉に装入する際のキャリーオーバー抑制の観点から、微粉炭の分級とその回収は重要な技術課題となりつつある。
【００２３】
しかし、発塵原因には、石炭に残留付着する水分が搬送過程で蒸発し、これに同伴されて微粉炭が発塵するケースのあることが明らかになってきた。水分蒸発の防止対策としては、乾燥分級機を出た後の石炭温度を低く抑えることが有効でありまた、非微粘結炭と言われる石炭の粘結性改善方法として、数１，０００℃／分以上の速度で４００℃付近まで急速加熱する技術が近年研究されているが、課題の１つとして、石炭の細粒化を増加させずに急速加熱する技術がのぞまれてきた。
【００２４】
本発明は、これらの多機能性を１基の流動床乾燥加熱分級機（流動床乾燥分級高温加熱機）によって実現する技術を提案するものである。
【００２５】
本発明では、流動化部２の床面である分散板８の石炭移動方向の出口部に段差を設け低くする。この段差は石炭の流動状態での流動化物の層厚以上の落差としている。その理由は、流動化部の層内では粒子はガス流により前後左右に激しく撹拌混合されながら移動しているが、その逆向きの移動つまり逆混合現象を絶ち切るために段差が必要だからである。
【００２６】
また、この段差によって流動化物は、移動方向に向け放出されることになり、石炭粒子群がガスにより揉み洗われ易い現象が発生する。これによって、後段部での高温加熱部での微粉部分の分離が容易になる効果が得られる。
【００２７】
この段差部において、下部から供給するガスの温度及び／又は湿度を前段及び後段で分離調整できる様に、プレナム室４を長手方向に仕切り、同時にフリーボード部３もプレナム室４に対応して同様に仕切る。プレナム室４の仕切りは完全に前段と後段で仕切板７で仕切るが、フリーボード部３は粒子流動化部２での石炭移動を考慮して、流動状態での層厚部分は残してその上部だけを仕切板１２で仕切る形とする。
【００２８】
つまり、プレナム室４に投入したガスがそれに対応する分散板を通過し粒子を流動化させ、フリーボード部の対応する室を通過して排出される構造とするのである。
【００２９】
ここで重要なことは、フリーボード部３の仕切りを粒子層内に到達するレベルまで調整することである。粒子層と仕切板１２との間のギャップが大きいとフリーボード部で各室間でのガス流通性が高まり、仕切る効果が小さくなる。逆に粒子層内に挿入する深さが深い場合は流動化している粒子の移動性が阻害される。従って、流動化した粒子層の厚みが５００ｍｍ程度の場合には、仕切板はフリーボード部天井から分散板より５００ｍｍ上のレベル迄の長さにしておくのが好ましい。
【００３０】
これにより流動床に投入するガス量を石炭の移動方向（つまり流動化部の長手方向）で独立して調整が可能となる。つまり、出口近くの室では分級機出口における石炭に期待する性状に設定することができるし、入口近くの室では水分乾燥速度を制御する為、或いは水分が高く流動化させる為にガス流速を特に高めたい場合など、任意のニーズに対応して適正なガス流速を流動床の長手方向に形成することが可能になる。図中１は流動層への石炭投入口、５は高温低湿度ガス供給ダクト、６は常温低湿度供給ダクト、１０は分級室、１１は流動層からの粗粒炭排出口を示す。
【００３２】
前段で２００℃程度のガスで付着水分を乾燥し、微粉炭部分は既にガス流にのせて系外に排出した後、残存する粗粒炭例えば０．３ｍｍ以上粒子のみを１，０００℃／分以上の速度で昇温させる場合、流動化部での粒子層厚を薄くし６００℃未満のガスをプレナム室から供給し、急速加熱することが可能となる。
【００３３】
また、それぞれの排ガスは仕切られたフリーボード部を通過しフリーボード部毎に設けられた排気管により温度及び／又は湿度レベルの異なる排気ガスを回収することが可能となる。
【００３４】
【実施例】
［参考例１］
以上の技術について、実施例に従って具体的に述べる。
【００３５】
付着水分９％のコークス炉用原料石炭２６０ｔ／ｈを、水分３％まで乾燥するプロセスを検討した。基本的プロセスは発塵とキャリーオーバー要因となる微粉部分を分離し、その微粉炭には粗粉炭とは別個にバインダーを添加するものとし、粗粒炭はバインダー無添加のままコークス炉に搬送するものとした。装置を設置するのは既設のコークス炉周辺であり敷地には十分な余裕は確保できない状態であった。
【００３６】
乾燥分級設備は、乾燥機、分級機、微粉炭集塵機、微粉炭と粗粒炭の搬送装置等で構成することとしたが、設備費の低減を考慮し、流動床乾燥分級機を選択することにした。
【００３７】
水分を３％迄低下させるには、供給ガス温度を２００℃とし床面積７０ｍ² として、石炭温度を９０℃程度まで昇温する。しかし、この状態で系外に排出すると、残留する３％の石炭付着又は包蔵水分の蒸発がコークス炉への搬送過程で発生することが判明した。石炭粉を３０℃まで降温すれば殆ど蒸発によるトラブルを引き起こすことは無い。
【００３８】
そこで、本発明の出口部の分散板８の高さを低く段差を設け、更にプレナム室４及びフリーボード部３の段差位置に仕切板を設け前段部で乾燥分級し、後段部で冷却分級する流動床乾燥分級機を導入した。
【００３９】
まず、幅５ｍ長さ１４ｍの流動床を石炭移動方向の１０ｍのところで、床面つまり分散板全幅にわたり４００ｍｍの落差で低く設定した。４００ｍｍは流動化部での石炭流動状態での計画した石炭層厚に匹敵している。
【００４０】
プレナム室には前段と後段を完全に仕切り、フリーボード部は分散板上４０ｍｍのみ開口しその上部を仕切るものとした。
【００４１】
石炭は、流動床に投入されるとバブリングしながら出口方向に移動していく。流動層厚４００ｍｍの中で粒子は激しく揉まれ、前進と後退及び上下運動を繰り返しながら、２００℃のガス流から熱を受け水分３．９％まで乾燥し擬似粒子を崩壊していく。特に０．１ｍｍ以下の微粒子は飛散し易く、水分が蒸発し拘束力を失い擬似粒子が崩壊するとガス流により同伴され分級されていく。この点での石炭微粒子温度は、８０℃であった。
【００４２】
そして、分散板に落差のついた部位に来ると、分散板レベルに追従して低い位置に移動し、この落差を境に高温ガス流から隔絶される。そして、落差の後段の低いレベルの分散板から供給される常温空気により３５℃迄冷却された。この段差位置にて粒子層は４００ｍｍ分だけ低い位置に落ちる時に、流動状態に乱れが生じ、ガスによる揉み洗い現象が強まり、微粉部分のガス流による同伴が強化された。
【００４３】
石炭は熱を空気に伝え低温化すると共に一部の付着水分を蒸発させ３％まで低水分化し擬似粒子の崩壊を強め、一方空気は熱を受け昇温して、湿分を増した状態で微粉炭を同伴して排出していく。
【００４４】
ここでは、後段の冷却分級部での層厚は前段と同じ４００ｍｍとし、床面積は２０ｍ² に設定した。
【００４５】
以上の方法により、冷却機を設置する設備費と敷地が節減でき、また乾燥炭搬送過程での蒸発と発塵を抑制できた。乾燥炭搬送過程での集塵ダクトやブロワーを増強せずに、従来設備にて対応する効果を得た。
【００４６】
［実施例１］
次に、同じく粒子径分布の広いコークス炉用原料石炭を水分０％、２００℃まで乾燥予熱する装置を検討した。石炭を平均温度２００℃まで加熱する技術は最近では気流塔式加熱機など知られている。しかし、気流加熱塔により、急速加熱すると石炭粒子は包蔵する水分の急激な膨張により、熱割れ現象を起こし細粒化し、コークス炉での装入嵩密度の低下やキャリーオーバー及び／又はコークス炉への搬送中の発塵要因となる。また気流塔式加熱装置では、石炭粒子とガスの接触時間が制御しにくく、４５ｍの塔高の装置でも１．５秒程度しか接触できない。粒子径分布の大きい石炭を対象にする場合、粗粒子中の水分の蒸発・昇温が不充分になる。
【００４７】
そこで、最初に長さの長い矩形流動床に２００℃未満のガスを供給することなどにより１００℃／分以下の昇温速度でマイルドに昇温し、付着水分と石炭粒子の層状構造に滲みこんだ水分を蒸発拡散現象により乾燥させ、水分がゼロになった状態で加熱することにより粒子毎のばらつきの少ない加熱が可能になることが判った。
【００４８】
装置的には、１段目の乾燥装置は乾燥の速い微粉炭がガス流によって分離していく流動床にし、この流動床の出口以降に、気流加熱塔を設ける方法が考えられた。が、低費用で狭い敷地で装備できる装置を指向して、本発明の装置を適用することにした。
【００４９】
床面の幅５ｍ、石炭供給部から出口までの長さ１５ｍの処理能力２００ｔ（石炭）／ｈの流動床の石炭供給部から１０ｍの位置で、全幅にわたって５００ｍｍの落差で床面を低位に下げる構造にした。この落差の部位を境に、前段と後段でプレナム室とフリーボード部を仕切った。プレナム室は、ガスの流通が無い様に完全な仕切りを設け、フリーボード部は石炭流動化部での石炭の移動が可能なように、高さ５００ｍｍだけ開口してその上部のみを仕切った。
【００５０】
前段では、石炭を１００℃／分未満の低速で加熱するために１５０℃のガスを供給し、後段では石炭を２００℃に加熱できる様に４００℃の温度のガスを供給した。その結果、流動床１０ｍまでは石炭は３０℃／分の低速昇温し水分１％未満、温度９５℃まで乾燥し、排ガス温度も１１０℃程度に低下した。
【００５１】
一方、段差以降では流動化部の粒子層厚を薄く２００ｍｍに下げたことにより石炭の昇温速度は１００℃／分に上昇し、各粒子径とも２００℃±１０℃の範囲に加熱することができた。
【００５２】
また排気ガス温度と湿度に着目すると、後段で回収したガスは温度は２２５℃と高く、同伴した微粉炭を除去すると湿度の低い再利用性に富むガスとして回収できた。前段の回収ガスは、湿度高く温度が低いことから含有微粉炭を回収した後、系外に排出するフローとした。
【００５３】
［実施例２］
次に、同じく水分９％、常温で粒子径分布の広いコークス炉用原料石炭を水分０％、４００℃まで予熱する装置を検討した。
【００５４】
非微粘結炭の改質効果を享受する目的で、４００℃への昇温を目指したが、此の温度領域では石炭の軟化溶融域に近接していることから、過昇温は石炭劣化をもたらす。故に、昇温し易い微粉炭は昇温途中で分離し、粗粒炭に水分を介して付着している微粉炭や、微粉炭同志が擬似粒子化している量を、可能な限り減少させることが不可欠であった。
【００５５】
そこで、設備効率から本発明の段差付き流動床乾燥加熱分級機を導入した。床面の幅４ｍ、石炭供給部から出口までの長さ２０ｍの処理能力２００ｔ（石炭）／ｈの流動床の石炭供給部から１５ｍの位置で、全幅にわたって３５０ｍｍの落差で床面を低位に下げる構造にした。この落差の部位を境に、前段と後段でプレナム室とフリーボード部を仕切った。プレナム室は、ガスの流通が無い様に完全な仕切りを設け、フリーボード部は石炭流動化部での石炭の移動が可能なように、高さ３５０ｍｍだけ開口してその上部のみを仕切った。
【００５６】
前段では、石炭層厚を３５０ｍｍとし、２００℃／分未満の低速で加熱するために１５０℃のガスを供給し、後段では石炭を４００℃に加熱できる様に５００℃の温度のガスを供給した。その結果、流動床１５ｍまでは石炭は３０℃／分の低速昇温し水分１％未満、温度９５℃まで乾燥し、排ガス温度も１１０℃程度に低下した。
【００５７】
一方、段差以降では流動化部の粒子層厚を薄く５０ｍｍに下げたことにより石炭は１，５００℃／分で昇温し、各粒子径とも４００℃±１０℃の範囲に加熱することができた。
【００５８】
また、前段において約４分間の滞留時間の中で０．１ｍｍ未満の微粉炭１３％程度が、ガス流とともに飛散し分級されたが、段差以降の後段においても更に５％の微粉炭を分離回収した。前段で回収した微粉炭温度は、１１０℃と低温であり後段で回収した微粉炭は４００℃の高温であった。１１０℃の回収微粉炭は、温度は４００℃に達せずそのままコークス炉に装入することはしなかったが、分離してバインダーを添加することにより改質してからコークス炉に装入する方法を採用した。
【００５９】
このように分散板に段差付き床面を採用して、低速昇温乾燥工程と１，０００℃／分以上の高速加熱工程とを１基の流動床により達成することができた。
【００６０】
【発明の効果】
以上の発明により以下の効果を得ることができた。
【００６１】
流動床乾燥分級高温加熱機において、流動化部の途中の床面に段差を設けプレナム室及びフリーボード部を仕切り、温度レベルの異なるガスを供給することにより、乾燥分級炭の急速加熱を可能ならしめた。これにより、従来技術では多額の設備費と広い敷地面積を要した装置が、コンパクトな敷地と低コストで達成できたことに加え、発塵防止など工業的に大きな成果をえることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による流動床乾燥分級高温加熱機断面概略図。
【図２】後段で冷却する場合の床長手方向での石炭水分と温度の変化を示す図。
【図３】後段で冷却する場合の床長手方向での供給ガス温度と排ガス温度の変化を示す図。
【図４】後段で急速加熱する場合の床長手方向での石炭水分と温度の変化を示す図。
【図５】後段で急速加熱する場合の床長手方向での供給ガス温度と排気ガス温度の変化を示す図。
【符号の説明】
１…流動層への石炭投入口２…粒子流動化部
３…フリーボード部４…プレナム室
５…高温低湿度ガス供給ダクト６…常温低湿度ガス供給ダクト
７…空気室仕切板８…分散板
９…ガス排出量調整ダンパー１０…分級室
１１…流動層からの粗粒炭排出口１２…フリーボード部仕切板

Claims

下部のプレナム室から、分散板を介して上部のフリーボード部に加熱した気体を吹き込み、分散板上に供給したコークス炉用原料石炭を流動化させ横方向に移動させる流動化部の途中の分散板の高さを前記石炭の流動化状態での層厚以上の落差で低くして段差を設けるとともに、石炭が移動可能にプレナム室及びフリーボード部に前記段差位置に仕切板を設け、かつ該仕切板により分割された前段部を乾燥・分級部とし、後段を高温加熱部としたことを特徴とする流動床乾燥分級高温加熱機。
下部のプレナム室から、分散板を介して上部のフリーボード部に加熱した気体を吹き込み、分散板上に供給したコークス炉用原料石炭を流動化させ横方向に移動させる流動化部の途中の分散板の高さを前記石炭の流動化状態での層厚以上の落差で低くして段差を設け、該段差位置に設けた仕切板により分割された前段部でコースク炉用石炭原料にプレナム室から加熱した低湿度気体を供給して乾燥、分級し、段差位置において乾燥後の石炭を移動落下させ、段差位置後段で高温低湿度気体を供給して高温加熱することを特徴とする流動床乾燥分級高温加熱機の操業方法。