JP4105794B2 - コークス用原料炭の配合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コークス用原料炭の配合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
石炭からコークスを製造する過程で、加熱された石炭は膨張し、コークス炉に圧力を及ぼす。この圧力は通常膨張圧と呼ばれているが、膨張圧が高いとコークス炉が損傷して操業不能になる危険があるので、コークス炉操業において膨張圧をコークス炉の許容限界値以下に制御することは、重要な課題である。特に、近年老朽化したコークス炉が多くなり、炉体の強度が低下して許容限界値が低下するとともに、近年盛んに行われるようになった調湿炭法などの石炭事前処理技術の導入によりコークス炉炭化室内の石炭装入嵩密度が上昇し、膨張圧は増加傾向にあるので、膨張圧管理はますます重要な課題となっている。
【０００３】
従来より、揮発分、炭素含有率、平均反射率等で表される石炭化度が高い石炭に膨張圧が高いものが多いことが知られている。そのため、これまでは、コークス炉に使用する石炭の石炭化度に上限を設定することにより、膨張圧をコークス炉の炉体強度からの限界値以下に制御しようとしてきた。
【０００４】
しかし、石炭化度が高い石炭にも膨張圧の比較的低いものもあり、また逆に石炭化度が比較的低い石炭にも膨張圧が比較的高いものもあって、石炭化度だけで膨張圧は決まらない場合がある。また、全膨張率や最高流動度など、石炭化度以外のパラメーターで膨張圧を整理しようと試みられた例はあるが、これらの粘結性パラメーターのみでは膨張圧を整理することはできなかった。このため、石炭化度だけで膨張圧を管理しようとすると、膨張圧が限界値以上になり、膨張圧によりコークス炉が損傷する場合がある。
【０００５】
このように、膨張圧を石炭性状から予測することはできないので、コークス炉の損傷を避けるためには、コークス炉で使用する前に試験炉で石炭を実際に乾留して膨張圧を測定する必要があり、試験炉で配合炭の膨張圧を事前に測定して膨張圧を管理する方法（特開平５−２５５６７０号公報）が知られている。
【０００６】
また、膨張圧推定モデルからその配合炭の膨張圧を推定する方法（特開平４−１３２７９１、特開平５−３４０９３７号公報）や、配合炭の相加平均膨張圧をもとに配合炭の膨張圧を推定し配合割合を調整する方法（特開平６−２１２１６４号公報）がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の配合炭の膨張圧を事前に測定して膨張圧を管理する方法においては、コークス品質調整のために急な配合変更が必要な場合や、石炭ヤードからコークス炉までの石炭搬送系統における突然の設備トラブル等により、当初計画していた石炭配合を急に変更せざるをえない場合において、迅速な対応ができない。また、迅速に対応するために、事前に想定される全ての配合炭の組合せについて膨張圧マップを持つことは、配合炭の種類が無数にあることから、多大な労力と時間を要することになる。
【０００８】
また、膨張圧推定モデル式による膨張圧推定については、精度よく推定する有効な方法ではあるが、繰り返し数値計算が必要であるため、必ずしも迅速な対応には適していない。
【０００９】
配合炭の相加平均膨張圧をもとに配合炭の膨張圧を推定し配合割合を調整する方法については、迅速な対応が可能で非常に有用な方法であるが、ある限られた配合条件での推定式であった。近年、調湿炭法などの石炭事前処理技術の導入により配合炭中の非微粘結炭の配合割合が増加し、従来とは配合炭の構成が変化してきている中で、幅広い石炭配合条件における推定方法が要求されている。また、コークス炉の炉体の強度が低下して許容限界値が低下しつつある中において、より精度の高い推定式が求められている。
【００１０】
本発明は、迅速に且つ多大な労力を要することなく、配合炭の膨張圧がコークス操業中の許容限界以下になるように、石炭を配合する方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、複数銘柄の石炭を配合した配合炭を形成してコークス炉に装入する方法において、配合炭中の高膨張圧炭iの最大膨張圧ｐｉの加成平均値Σpi xi、非微粘結炭の配合割合Ｘ、および粘結炭のみの配合炭の全膨張率ＴＤから式（８）により配合炭膨張圧を算出し、この算出配合炭膨張圧を、コークス炉の許容限界圧未満となるように、石炭の銘柄および配合割合を調整することを特徴とする。
Px =a’・Σp i xi -b’・Σp i xi ・(X+c’・X² )・{1+1/(d’・TD+e’)}+f’ …（８）
ただし
Px ：配合炭の推定膨張圧（ｋＰａ）
pi ：高膨張圧炭ｉの最大膨張圧（ｋＰａ）
xi ：高膨張圧炭ｉの配合割合（−）
Σpi xi ：配合炭中の高膨張圧炭ｉの最大膨張圧ｐｉの加成平均値（ｋＰａ）
X ：非微粘結炭の配合割合（％）
TD：粘結炭のみの配合炭の全膨張率（％）
a’, b’, c’, d’, e’, f’：定数
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１３】
本発明者は、配合炭中の非微粘結炭の配合割合、および配合炭中の粘結炭の全膨張率（ＪＩＳ Ｍ８８０１石炭膨張性試験方法）に着目し、非微粘結炭の配合割合が高いほど膨張圧が低減し、その低減効果は、配合炭中の高膨張圧炭の最大膨張圧の加成平均値と粘結炭の全膨張率に依存することを見出した。本発明は、上記知見に基づいてなされた。
【００１４】
軟化溶融した石炭層のガス透過係数は式（１）で表せる（有馬 孝，野村誠治，福田耕一：鉄と鋼，８２（’９６），６５）。
【００１５】
１／Ｋ＝Ｓ（Ｃ−１） （１）
Ｋ：軟化溶融石炭のガス透過係数［ｍ² ］
Ｓ：傾き［ｍ^-2］
Ｃ：圧縮比［−］
圧縮比は石炭の自由膨張がどの程度拘束されているかを示す指標であり、式（２）で定義される。
【００１６】
Ｃ＝Ｖ_f ／Ｖ （２）
Ｖ_f ：自由膨張時の最大比容積［ｃｍ³ ／ｇ］
Ｖ ：膨張拘束条件下での軟化溶融石炭比容積
（ガス透過係数測定時における装入密度の逆数）［ｃｍ³ ／ｇ］
ここで、以下の仮定をおくことにより、配合炭の膨張圧推定式を導いた。
仮定（１）：膨張圧は軟化溶融した石炭層のガス透過係数に反比例する。
仮定（２）：非微粘結炭配合割合により（１）式の傾きＳは変化しない。
仮定（３）：非微粘結炭配合割合および粘結炭の全膨張率が膨張圧に及ぼす影響は、配合炭の圧縮比変化に起因すると仮定し、非微粘結炭を含む配合炭の圧縮比については、非微粘結炭配合割合の関数で表せる膨張阻害効果φにより、粘結炭のみの配合炭の圧縮比から推定できるとする。
仮定（４）：粘結炭のみの配合炭の膨張圧は高膨張圧炭膨張圧加成値の１次式で表せる。
【００１７】
膨張圧は軟化溶融した石炭層のガス透過係数に反比例すると仮定すれば（仮定「１」）、非微粘結炭を含まない粘結炭のみの配合炭の膨張圧は、基本的に次式で表せる。
【００１８】
Ｐ_b ≒ｋＳ（Ｃ_b −１） （３）
Ｐ_b ：粘結炭のみの配合炭の膨張圧［ｋＰａ］
ｋ ：定数
Ｃ_b ：粘結炭のみの配合炭の圧縮比［−］
Ｃ_b ＝ａＴＤ＋ｂ （４）
ＴＤ：粘結炭のみの配合炭の全膨張率［％］
ａ，ｂ：定数
粘結炭のみの配合炭において、Ｘ％の石炭を非微粘結炭に振り替えた場合、ｋ、Ｓが変わらないと仮定すると（仮定▲２▼）、非微粘結炭をＸ％含む配合炭の膨張圧Ｐ_X は次のように表せる。
【００１９】

Ｐ_X ：非微粘結炭をＸ％含む配合炭の膨張圧
Ｃ_X ：非微粘結炭をＸ％含む配合炭の圧縮比
膨張圧が高い粘結炭の石炭化度は高く、軟化溶融範囲は高温側にある。一方、非微粘結炭の石炭化度は低く、軟化溶融範囲は低温側にあるため、膨張圧が高い粘結炭が軟化溶融している時に非微粘結炭は既に再固化しており、粘結炭の膨張を阻害する。そこで、非微粘結炭をＸ％含む配合炭の圧縮比については、非微粘結炭配合による膨張阻害効果φを考慮して、（６）式で表せる（仮定▲３▼）。
【００２０】
Ｃ_X ＝φＣ_b （１００−Ｘ）／１００ （６）
φ＝１−ｃＸ
φ：非微粘結炭配合による膨張阻害効果を示す係数［−］
ｃ：定数
ここで、粘結炭のみの配合炭の膨張圧は高膨張圧炭膨張圧加成値の１次式で（７）式のように近似できる（仮定▲４▼）。
【００２１】
Pb =d Σpi xi + e （７）
pi ：高膨張圧炭ｉの最大膨張圧［ｋＰａ］
xi ：高膨張圧炭ｉの配合割合
Σpi xi ：高膨張圧炭ｉの最大膨張圧ｐｉの加成平均値［ｋＰａ］
d,e ：定数
（４）（５）（６）（７）式より、
PX =( ｄΣpi xi + ｅ)/( ａTD+ ｂ-1) ×[(1-ｃＸ)(ａTD+ ｂ)(100-Ｘ)/100-1]
≒a'Σpi xi -b' Σpi xi ・(X+c'X ² )・{1+1/(d'TD+e')}+f' （８）
a', b', c', d', e', f'：定数
（８）式より、配合炭ガス圧は、配合炭中の高膨張圧炭ｉの最大膨張圧ｐｉの加成平均値（Σpi xi ）、粘結炭のみの配合炭の全膨張率（ＴＤ）、非微粘結炭配合割合（Ｘ）で表せることがわかる。また（８）式より、非微粘結炭の配合割合（Ｘ）が高いほど膨張圧が低減し、その低減効果は、配合炭中の高膨張圧炭ｉの最大膨張圧ｐｉの加成平均値（Σ pi xi ）が高いほど大きく、粘結炭のみの配合炭の全膨張率（ＴＤ）が低いほど大きいことがわかる。
【００２２】
【実施例】
図１に、（８）式により推定した配合炭の膨張圧と、膨張圧実測値との関係を示す。本実施例においては、各銘柄配合炭の膨張圧は、特開平４−２７２９９２号公報で提案の方法により測定した。すなわち、軟化溶融した石炭が発生するガスの圧力を測定する装置として、金属製の石炭装入容器内に測定対象の石炭を装入すると共に、内部の圧力を測定するプローブを装着した石炭装入容器と、この石炭装入容器を収容して、石炭装入容器の側面から８００〜１２００℃に加熱可能な加熱炉から構成された試験炉を用いた。また、（８）式における係数は、以下の値を用いた。
【００２３】
a'=0.795064, b'=0.004087, c'=-0.0040476 ,
d'=0.00986 , e'=-0.2112, f'=-5.9394図１より、推定値は測定値とよく一致することがわかる。
【００２４】
表１の配合（１）〜（２）は、配合炭の膨張圧ＰXが、コークス炉の許容限界膨張圧（１０ｋＰａ）よりも充分下回るように、Ａ炭〜Ｇ炭を使用した配合の例である。配合炭の膨張圧推定値は４〜６ｋＰａであった。そして、この配合炭をコークス炉で乾留した後、押出し機で押し出した際の押出し負荷ピーク電流は２５０〜２５５Ａで、押出し負荷ピーク電流値の許容上限値３００Ａ以下であり、安定操業であった。
【００２５】
また、配合▲３▼は、Ａ炭〜Ｇ炭によって構成される配合炭の推定膨張圧Ｐ_X が、コークス炉の許容限界膨張圧（１０ｋＰａ）により近い配合の例である。配合炭の膨張圧推定値は８ｋＰａであった。そして、この配合炭をコークス炉で乾留した後、押出し機で押し出した際の押出し負荷ピーク電流は２８５Ａで、押出し負荷ピーク電流値の許容上限値３００Ａ以下ではあるが、安定操業を行っている場合と比較して大きく、炭化室の炉壁に大きな負荷がかかっていることが推定される。
【００２６】
また、表１に特開平６−２１２１６４号公報にて提案された従来法による膨張圧推定値を示す。従来法での推定値に比べて今回の推定値の方がかなり精度がよいことがわかる。
【００２７】
以上の実施例から、配合炭を構成するそれぞれの石炭の最大膨張圧の加成平均値、非微粘結炭の配合率、および粘結炭のみの配合炭の全膨張率から配合炭の膨張圧を容易に推定可能なことがわかる。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、石炭乾留過程において生じる配合炭の膨張圧を容易に予測可能であり、配合炭の膨張圧を推定して、配合炭の膨張圧が許容限界値以下となるように石炭配合割合を管理して操業を行えば、膨張圧による炉体損傷を回避しながら安定したコークス炉操業を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】膨張圧の推定値と実測値の関係を示す図。

Claims (1)

1. 複数銘柄の石炭を配合した配合炭をコークス炉に装入する方法において、配合炭中の高膨張圧炭iの最大膨張圧ｐｉの加成平均値Σpi xi、非微粘結炭の配合割合Ｘ、および粘結炭のみの配合炭の全膨張率ＴＤから式（８）により配合炭膨張圧を算出し、この算出配合炭膨張圧を、コークス炉の許容限界圧未満となるように、石炭の銘柄および配合割合を調整することを特徴とするコークス製造用原料炭の配合方法。
   Px =a’・Σp i xi -b’・Σp i xi ・(X+c’・X² )・{1+1/(d’・TD+e’)}+f ’…（８）
   ただし
   Px ：配合炭の推定膨張圧（ｋＰａ）
   pi ：高膨張圧炭ｉの最大膨張圧（ｋＰａ）
   xi ：高膨張圧炭ｉの配合割合（−）
   Σpi xi ：配合炭中の高膨張圧炭ｉの最大膨張圧ｐｉの加成平均値（ｋＰａ）
   X ：非微粘結炭の配合割合（％）
   TD：粘結炭のみの配合炭の全膨張率（％）
   a’, b’, c’, d’, e’, f’：定数

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