JP4896571B2 - コークス用石炭の事前処理方法 - Google Patents

Description

本発明はコークス用石炭の事前処理方法に関するものである。より詳しく説明すると、石炭を事前に乾燥して室炉式コークス炉に装入する場合において、発塵やキャリーオーバー防止を図り、偏析を抑制しつつ、コークス炉内での装入密度を適正な範囲に制御することを可能とするコークス用石炭の事前処理方法に関するものである。

室炉式コークス炉に装入する石炭原料は、通常、９質量％前後の水分を有している。この石炭原料を乾燥すると、コークス化する際の乾留熱量を低下できるだけでなく、石炭の装入密度が増加して、コークス品質や生産量を増加させることができる。コークス品質は、高炉操業に必要なレベルを維持すればよいので、コークス品質を向上させれば、安価な粘結性の低い非微粘結炭の配合割合を増加することが可能となる。

世界的に良質な粘結炭は不足傾向にあるため、非微粘結炭の配合割合を高めることは、非常に重要である。これらの効果を狙って、石炭原料を乾燥する調湿炭装入法が多くのコークス炉で実施されている。

しかし、石炭の乾燥度を高めていくと、石炭をコークス炉に搬送する際や装入する際に、発塵やキャリーオーバーが激しくなるという問題が発生する。これは、乾燥により擬似粒子が崩壊し、微粉が増加するためである。このため、調湿炭装入法では、石炭水分を５質量％程度までしか乾燥できない。

そこで、石炭乾燥時に問題となる発塵性微粉を分離して、バインダーで混練したり、成型したりして、擬似粒子化し、残りの粗粒石炭と混合してコークス炉に装入する等の手法が提案されている。

特許文献１に開示されている手法は、成型原料炭にバインダーを添加して混練し加圧成型して、強度の異なる複数種類の成型炭を調製し、調湿した石炭と置換してコークス炉へ搬送する方法であるが、複数種類の成型機が必要なため設備費が高くなるとともに、成型炭が偏析してコークス炉への装入量やコークス品質がばらつくという問題を有している。

特許文献２に開示されている手法は、石炭水分を３質量％未満に調整し、撹拌及び／又は振動を与えて微粒子を分離し、微粒子に結合剤を加えて塊成化し、粗粒炭と混合する方法であるが、設備が複雑で設備費が高くなるとともに、撹拌や振動では、大きな動力を消費する割には、発塵性微粉を充分に分離できないという問題を有している。

特許文献３に開示されている手法は、原料石炭を微粉炭と粗粒炭に分級し、微粉炭を圧縮成型して粗粒炭と混合するに際し、粗粒炭の水分や粒度を調整するとともに、バインダーを添加する方法であるが、石炭水分を２％以下に乾燥できないという問題や、分級制御が難しいという問題、及び、多量に存在する粗粒炭にバインダーを均一に混ぜることは難しいという問題を有している。

特許文献４に開示されている手法は、原料石炭を乾燥し、微粉炭と粗粒炭に分級し、微粉炭にバインダーを混練して粗粒炭と混合する方法であるが、混練した微粉炭を粗粒炭と混合してコークス炉まで搬送する際に、擬似粒子が崩壊して粉化するため、発塵やキャリーオーバーを防止できないという問題を有している。

特許文献５に開示されている手法は、原料石炭を乾燥し、微粉炭と粗粒炭に分級し、微粉炭にバインダーを混練しブリケット化して粗粒炭と混合する方法であるが、該ブリケットが偏析して、コークス炉への装入量やコークス品質がばらつくという問題を有している。また、この方法においては、コークス炉に装入する際の装入密度が大きくなり過ぎて、コークス炉の炉壁に損傷を与えることが懸念される。

特許文献６に開示されている手法は、石炭を乾燥して水分を２〜５％に低減し、微粉炭と粗粒炭に分級し、微粉炭のみを更に乾燥して、水分２％以下に低減して成型し、粗粒炭と混合する方法であるが、設備が複雑で設備費が高くなるという問題や、石炭水分を実際に２％以下にできないという問題を有している。

特開昭５７−８０４８０号公報 特開昭５８−８０３８７号公報 特開平５−６５４８７号公報 特開平１０−１８３１３６号公報 特開平１０−１３０６５３号公報 特開平１−２５２６９４号公報

本発明は、上述の従来技術の問題点を解決できるコークス用石炭の事前処理方法を提供することを目的とする。すなわち、本発明は、石炭を事前に乾燥して室炉式コークス炉に装入する場合において、発塵やキャリーオーバー防止を図り、偏析を抑制しつつ、コークス炉内での装入密度を適正な範囲に制御することを可能とするコークス用石炭の事前処理方法を提供することを目的とする。

石炭の乾燥度を高めていくと、擬似粒子が崩壊し、石炭をコークス炉に搬送する際や、装入する際に、発塵やキャリーオーバーが激しくなるという問題が発生する。このため、調湿炭装入法では、石炭水分を５質量％程度までしか低減できない。

一方、石炭乾燥時に問題となる発塵やキャリーオーバーの原因となる微粉の粒径に関しては、特許文献５で明らかになっており、発塵に関しては、０．１ｍｍ以下、キャリーオーバーに関しては、０．３ｍｍ以下である。

そこで、本発明者等は、石炭水分を５％以下に低減しつつ、発塵とキャリーオーバーの両方の問題を解決するために、０．３ｍｍ以下の粒子を擬似粒子化して低減する手法を鋭意検討し、本発明をなすに至った。

以下に、その手段を示す。
（１）流動床にて、原料石炭を乾燥して、水分率（［原料石炭中の水分質量／原料石炭質量−wet］×１００）を５％以下とすると共に、０．３ｍｍ以下の粒子を４０〜９５質量％含有する微粉炭と、それ以外の粗粒炭とに分級し、その後、当該微粉炭にバインダーを当該微粉炭量に対して５〜１５質量％添加して、横溝状や波板状等の板状に成型することを特徴とするコークス用石炭の事前処理方法。

（２）前記成型後の微粉炭を、前記粗粒炭と混合してコークス炉に装入することを特徴とする前記（１）記載のコークス用石炭の事前処理方法。

本発明のコークス用石炭の事前処理方法によれば、コークス用石炭を事前に乾燥する際に問題となる、室炉式コークス炉への搬送や装入時の発塵やキャリーオーバーを抑制しつつ、偏析を抑制し、コークス炉内での装入密度を適正な範囲に制御することが可能となる。これにより、室炉式コークス炉に装入する石炭の乾燥度を高め、コークス化する際の乾留熱量を低下するとともに、石炭の装入密度を増加してコークス品質の向上や生産量を増加することが期待できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るコークス用石炭の事前処理方法のフローを示す図である。９質量％前後の水分を有する原料石炭（原料炭とも言う）を乾燥分級機１で乾燥し、水分を５質量％以下に低減するとともに、０．３ｍｍ以下の粒径が主体の微粉炭を、分級して回収する。

乾燥して分級する手段としては、キルン等で乾燥した後に振動篩い等で分級する手段も可能であるが、工業的には、乾燥と分級が同時に可能である流動床が最も合理的で好ましい。

流動床による乾燥分級では、粉砕等で、先ず、粒径を所定の粒径以内（例えば、１０ｍｍ以下）に調整した原料石炭を、流動床分級乾燥機に投入し、１００〜３５０℃程度の熱風で石炭を表面水分がなくなるまで流動乾燥するとともに、流動中の原料石炭同士の衝突により擬似粒子を崩壊させ、微粉炭を排ガスとともに上部から排出し、残りの粗粒炭を側部等から排出して、効率良く分級できる。

また、流動床上部の空塔速度を調整することで、分級したい微粉の粒度を制御することが可能である。微粉炭の粒度は、成型物の強度を確保する観点から、０．３ｍｍ以下の粒子の質量割合が４０〜９５％になるように、空塔速度を調整して制御する。

０．３ｍｍ以下の粒子の質量割合が４０〜９５％になっているかどうかは、例えば、０．３ｍｍの篩で篩って、篩下の割合を算出することで確認できる。一度、所定の空等速度で分級して、上記範囲内に入っていることを確認した後は、その空等速度で分級することで、上記質量割合を上記範囲内に収めることが可能である。

分級した微粉炭は集塵機２で回収する。集塵機としては、サイクロン等の固気遠心分離タイプの集塵機や、バグフィルター等が使用可能であるが、集塵能力の高いバグフィルターがより望ましい。

回収された微粉炭は、スクリューコンベア３を使用して混練機４に供給され、バインダーを添加して混練される。混練機４としては、バインダーを添加した微粉炭を混錬できれば形式を問わないが、ピンミキサーやニーダー等の連続式の混練機がより望ましい。

バインダーとしては、タール、重質油、ピッチ類、生石灰等を利用できるが、室炉式コークス炉から発生するタール滓や、粗タールを使用することが望ましい。混練機４で添加するバインダーの適正量は、バインダーの種類等によっても異なるが、成型物の強度確保及び成型の安定性の観点から、バインダー添加前の微粉炭の質量に対して（分級された微粉炭に対し外数で）５〜１５質量％になるように制御することが好ましい。

次に、バインダーで混練した微粉炭を、成型機５で成型する。成型機５としては、２軸のロール成型機を使用することができる。様々な表面形状（凹凸）の成型ロールを使用することで、成型物の形状を調整することが可能である。

例えば、図２（ａ）に示すような、表面形状が横溝状の２軸の成型ロールを用い、微粉炭を圧密する２つのロール表面を互いに凸と凸とが相対するようにセットすることで、図２（ｂ）に示すような横溝状（凸凸）の成型物を成型することができる。

本発明に係る成型物の形状の例を図２（ｂ）に示すが、粉化抑制、偏析防止及びコークス炉への装入密度の観点から、横溝状や波板状等の板状の成型物とする。板状に成型する場合、微粉炭が成型ロール表面で滑らないようにロール表面に溝を形成し、成型性を向上させる。成型物の形状はロール表面の溝を凹凸面又は凸凸面を合わせた形状を選択できるが、どちらを選択しても構わない。

横波状や波板状の板状の成型物の平均サイズは、成型ロール条件や石炭原料条件、成型直後の落下高さ、及び、搬送条件等によっても異なるが、厚みで２〜２５ｍｍ、幅で３〜５０ｍｍ、長さで１０〜３００ｍｍであれば、本発明の課題である発塵やキャリーオーバーを抑制しつつ、偏析を抑制し、かつ、コークス炉内での装入密度を適正な範囲に制御することが安定的に可能となり好ましい。

より好ましくは、厚みで３〜１５ｍｍ、幅で５〜２０ｍｍ、長さで４０〜〜１００ｍｍである。

平均値は、成型直後の成型物１００〜１０００個程度をサンプリングし、厚み、幅、長さをものさし又はノギスにより測定した値を、平均して求めることができる。

微粉炭を成型機５で成型した後、乾燥分級機１で分級した残りの粗粒炭と合わせて、コークス炉へ搬送する。当該微粉炭と粗粒炭を単独でコークス炉へ搬送することも可能であるが、コークス品質を安定化させるために、両者を事前に混合すべきであり、搬送設備のコスト低減のためにも、両者を合わせてコークス炉へ搬送することが望ましい。

また、成型機５の後段に振動篩いを設置し、成型物を篩って、篩い下の微粉を混練機４又は成型機５に戻すことは、微粉を低減するのに有効な手段であるので、必要に応じ、振動篩いを設置すればよい。

なお、成型物の強度にはロールの線圧が影響するが、所要の強度を保つために必要な線圧はロール径やロール回転数等によって変わるため、適宜設定する。

本発明により、室炉式コークス炉に装入する石炭の乾燥度を高め、コークス化する際の乾留熱量を低下するとともに、石炭の装入密度を増加して、コークス品質や生産量を増加させることが可能となる。

（実施例１）
図３に、水分率２％（［原料石炭中の水分質量／原料石炭質量−wet］×１００）の分級微粉炭の粒度を変化させて成型試験を実施した際の成型物の強度の測定結果を示す。乾燥分級機として流動床を使用し、熱風温度及び風量を変化させて、分級微粉炭の粒度を変化させた。また、分級微粉炭の水分率を２％となるように、加水あるいは乾燥して水分を調整した。

バインダーとして、タールを、外数で１０質量％添加し、プロシェアミキサーで３分間混練した。成型物の形状は、凸凸面を合わせた横溝状であり、直径２２４ｍｍの横溝ロールで線圧１．５ｔ／ｃｍ、ロール回転数１２ｒｐｍの条件で成型し、試料として使用した。

強度指標は、実機搬送時の落下条件を模擬した落下試験で成型物を落下させた後の０．３ｍｍ以上の粒子割合で評価した。落下強度の目標としては、発塵及びキャリーオーバー防止の観点から８０％以上必要である。

図３から分かるように、成型物の強度を保つためには、分級後の微粉炭中の０．３ｍｍ以下の粒子の質量割合を４０〜９５％になるように制御すればよい。

更に、微粉炭中の０．３ｍｍ以下の粒子の質量割合が４０％未満、９５％超では、急激に落下強度が落ちることが分る。

造粒や成型で強度の高い成型物を造るには、核となる粗い粒子の隙間を微粒子で埋めて、緻密な構造とすることが重要である。０．３ｍｍ以下の粒子が４０％未満では、隙間を埋める微粒子が少ないため、また、９５％より多いと、核となる粗い粒子が少ないため、強度を高くできないと考えられる。

なお、水分を平衡含水率までより低減した条件で、同様の試験を行っても、水分率２％の場合と同様に、微粉炭中の０．３ｍｍ以下の粒子の質量割合が４０％未満、又は、９５％超では、急激に落下強度が落ちることが分った。

（実施例２）
図４に、バインダー添加量を変化させて成型試験を実施した際の成型物の強度の測定結果を示す。乾燥分級機として流動床を使用し、分級微粉炭の水分率が２％となるように、また、分級炭の粒度は、０．３ｍｍ以下の粒子が６０〜８０質量％となるように、熱風温度と風量を調整した。

バインダーとして、タールを使用し、添加量を変えて、プロシェアミキサーで３分間混練した。成型物形状は凸凸面を合わせた横溝状であり、直径２２４ｍｍの横溝ロールで線圧１．５ｔ／ｃｍ、ロール回転数１２ｒｐｍの条件で成型した試料を使用した。強度指標や目標は上記実施例１と同じである。

図４から分かるように、バインダー添加量を増加する程、成型物の強度を高くできるが、成型物の強度を目標以上にするためには、バインダー添加量を分級微粉炭に対し、外数で５％以上添加しなければならない。また、１５％より多く添加すると、混練した原料が成型機５のロールに付着して安定的に成型することができなくなる。

したがって、バインダー添加量は分級微粉炭に対し外数で５〜１５質量％になるように制御することが好ましい。

（実施例３）
成型物の形状の最適化を図るために、形状や大きさの異なる各種成型物を使用し、実機コークス炉への搬送条件を模擬した搬送試験を実施した。乾燥分級機として流動床を使用し、分級微粉炭の水分率が２％となるように、また、分級炭の粒度は、０．３ｍｍ以下の粒子が６０〜８０質量％となるように、熱風温度と風量を調整した。

バインダーとして、タールを、分級微粉炭に対し外数で１０％添加し、プロシェアミキサーで３分間混練した。直径２２４ｍｍのロールの溝形状を変えて線圧１．５ｔ／ｃｍ、ロール回転数１２ｒｐｍの条件で成型し、試料として使用した。

試料としては、成型していない混練物、５０ｃｃマセック型、１５ｃｃマセック型、１５ｃｃアーモンド型、５ｃｃアーモンド型、横溝型、波板型の７種類を用意して評価した。それぞれの外観写真を、図５に示す。

成型していない混練物とは、上記微粉炭にタールを外数で１０％添加し、プロシェアミキサーで３分間混練したものである。マセック型とは、四角錐の底面通しを貼り合わせた形状であり、アーモンド型は、楕円状、横溝型はＶ字状の溝を凸凸面で合わせた形状、波板型は、波板状の溝を凹凸面で合わせた形状である。

マセック型とアーモンド型は、大きさの異なるものも評価したが、形状は同じであるため、外観写真は省略する。これらの成型物と、水分２％の粗粒炭を３対７の質量割合で混合し、実機コークス炉への搬送条件を模擬した搬送試験を実施し、粉化量、偏析、及び、装入密度を評価した。

図６は、搬送時の粉化量を各種成型炭毎に比較したものである。０．３ｍｍ以下の粒子の増加量を粉化量とし、発塵及びキャリーオーバー抑制の観点から、その目標を６％以下とした。粉化防止の観点からは、１５ｃｃマセック型、１５ｃｃアーモンド型、５ｃｃアーモンド型、横溝状、波板状が望ましい。

混練物は、分級微粉をバインダーで混練して擬似粒子化しただけのものであるため、搬送する際に粗粒炭と混合されて、混練物中のバインダーが粗粒炭側に移動し、擬似粒子が崩壊して粉化量が増加したと推定される。また、５０ｃｃマセック型は、成型物が大きいため、成型物内部まで圧力が充分に伝わらず強度を確保することが難しいことと、落下時の衝撃が大きいため壊れ易いことで、粉化量が増加したと推定される。

したがって、粉化防止のためには、小型のポケット型又は板状の成型物が望ましい。

コークス炉への搬送時に成型物が偏析すると、コークス炉への装入量やコークス品質のバラツキの原因となるので、偏析を低減することは重要である。図７は、搬送時の偏析を各種成型炭毎に比較したものである。

偏析を評価するために、成型物と粗粒炭を３対７の質量割合で混合したものを、コークス炉を模擬した容器に装入し、長手方向に５分割、幅方向に３分割、上下方向に２分割し、９．５ｍｍ以上の粒子の質量割合の標準偏差を指標とした。９．５ｍｍ以上の粒子に着目したのは、粗粒炭にほとんど存在しないため、成型炭の存在比率を概略表現できるためである。

その目標値は、コークス炉への装入量やコークス品質のバラツキを低減するために、５％以下とした。偏析防止の観点からは、混練物、横溝状、波板状が望ましい。マセック型やアーモンド型等のポケット型は、コークス炉や石炭塔等に装入する際に、斜面を転がって隅に偏析する傾向があり、大きさが大きい程、偏析が顕著となる。

一方、横溝状や波板状の板状の成型物は、搬送過程で適度に割れて、粗粒炭の間に刺さったりして転がりにくいため、偏析が小さいと推定される。また、混練物には９．５ｍｍ以上の粒子は存在しないため、混練物の偏析は粗粒炭中の９．５ｍｍ以上の粒子に起因する。

コークス用石炭を室炉式コークス炉へ装入する際、装入密度が大きい方が、コークスの生産量が増加するとともに、コークス品質が向上するため望ましいが、石炭は、乾留する過程で膨張するため、装入密度が大きすぎると、コークス炉を損傷させることが懸念される。したがって、装入密度を適正な範囲に制御することが重要である。

図８は、コークス炉装入時の嵩密度を各種成型炭毎に比較したものである。装入密度の目標値は、コークス生産量と品質向上、及び、炉体損傷の観点から０．７６〜０．８４ｔ／ｍ³の範囲に制御することが望ましい。成型物が大きい程、装入密度も大きくなる傾向があり、装入密度を適正範囲に制御するためには、横溝状や波板状の板状の成型物が望ましい。

成型物が大きい程、装入密度も大きくなるのは、成型物が大きい程、装入物の粒度分布が広くなるためであると考えられる。一方、横溝状や波板状等の板状の成型物は、割れやすく、搬送過程で適度に割れるため、粒度分布が適正範囲となり、装入密度が大きくなり過ぎないと考えられる。

以上、粉化抑制、偏析防止及び装入密度の観点から、成型物の形状としては、横溝状や波板状等の板状の成型物が望ましい。

本発明のコークス用石炭の事前処理方法のフローを示す図である。 本発明の成型物の形状を示す図である。 分級微粉中−０．３ｍｍ粒子重量割合と成型物強度の関係を示す図である。 バインダー添加割合と成型物強度の関係を示す図である。 搬送試験で使用した各種成型炭の形状を示す図である。 各種成型炭の搬送試験時の粉化量を示す図である。 各種成型炭の搬送試験時の偏析を示す図である。 各種成型炭の搬送試験時のコークス炉装入密度を示す図である。

符号の説明

１ 乾燥分級機（流動床乾燥機）
２ 集塵機（バグフィルター）
３ スクリューコンベア
４ 混練機
５ 成型機（横溝又は波板状）

Claims (2)

1. 流動床にて、原料石炭を乾燥して、水分率（［原料石炭中の水分質量／原料石炭質量−wet］×１００）を５％以下とすると共に、０．３ｍｍ以下の粒子を４０〜９５質量％含有する微粉炭と、それ以外の粗粒炭とに分級し、
   その後、当該微粉炭にバインダーを当該微粉炭量に対して５〜１５質量％添加して、横溝状や波板状等の板状に成型することを特徴とするコークス用石炭の事前処理方法。
2. 前記成型後の微粉炭を、前記粗粒炭と混合してコークス炉に装入することを特徴とする請求項１記載のコークス用石炭の事前処理方法。