JP5403027B2 - 木質バイオマスを原料とした高炉操業方法およびコークスの製造方法 - Google Patents
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Description
[1]木質バイオマスを加熱して乾燥後に粉砕し、石炭とともに成型して成型体とし、該成型体を石炭とともに室炉式コークス炉に装入して乾留して製造したコークスを高炉に装入することを特徴とする木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
[2]木質バイオマスを、水分含有量が5mass%以上、30mass%未満となるように乾燥することを特徴とする[1]に記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
[3]木質バイオマスの乾燥を、300℃以下の排熱を用いて行うことを特徴とする[1]または[2]に記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
[4]乾燥後の木質バイオマスを粉砕し、石炭とともに成型して成型体とし、該成型体を石炭とともに室炉式コークス炉に装入して乾留して製造したコークスの高炉への装入割合を、高炉に装入する全コークス量の80mass%未満とすることを特徴とする[1]ないし[3]のいずれかに記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
[5]木質バイオマスを粒径3mm以下に粉砕し、石炭ととともに混合して成型し、成型体の体積を10cm 3 以上で50cm 3 以下、嵩密度を0.8g/cm 3 以上で1.1g/cm 3 以下にすることを特徴とする[1]ないし[4]のいずれかに記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
[6]粉砕した木質バイオマスを、石炭とバインダーとともに成型することを特徴とする[1]ないし[5]のいずれかに記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
[7]木質バイオマスを加熱して乾燥した後に粉砕し、石炭とともに成型して成型体とし、該成型体を石炭とともに室炉式コークス炉に装入して乾留することを特徴とする木質バイオマスを原料としたコークスの製造方法。
[8]木質バイオマスを粒径3mm以下に粉砕し、石炭ととともに混合して成型し、成型体の体積を10cm 3 以上で50cm 3 以下、嵩密度を0.8g/cm 3 以上で1.1g/cm 3 以下とすることを特徴とする請求項[7]に記載の木質バイオマスを原料としたコークスの製造方法。
[9]粉砕した木質バイオマスを、石炭とバインダーとともに成型することを特徴とする[7]または[8]に記載の木質バイオマスを原料としたコークスの製造方法。
下記の(1)〜(13)の特徴を有する発明によっても、上記の課題を解決することができる。
(1)木質バイオマスを加熱して乾燥し、高炉原料として使用することを特徴とする木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
(2)木質バイオマスを、水分含有量が5mass%以上、30mass%未満となるように乾燥することを特徴とする(1)に記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
(3)木質バイオマスの乾燥を、300℃以下の排熱を用いて行うことを特徴とする(1)または(2)に記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
(4)乾燥後の木質バイオマスを粉砕し、高炉の羽口から吹き込むことを特徴とする(1)ないし(3)のいずれかに記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
(5)乾燥後の木質バイオマスを粉砕し、石炭とともに成型して成型体とし、該成型体を石炭とともにコークス炉に装入して乾留して製造したコークスを高炉に装入することを特徴とする(1)ないし(3)のいずれかに記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
(6)乾燥後の木質バイオマスを粉砕し、石炭とともに成型して成型体とし、該成型体を篩い分けした篩い上を、石炭とともにコークス炉に装入して乾留して製造したコークスを高炉に装入し、前記成型体を篩い分けした篩い下を、羽口から高炉内に吹き込むことを特徴とする(1)ないし(3)のいずれかに記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
(7)篩い分けの篩い目を、3〜6mmとすることを特徴とする(6)に記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
(8)乾燥後の木質バイオマスを粉砕し、石炭とともに成型して成型体とし、該成型体を石炭とともにコークス炉に装入して乾留して製造したコークスの高炉への装入割合を、高炉に装入する全コークス量の80mass%未満とすることを特徴とする(5)ないし(7)のいずれかに記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
(9)木質バイオマスを粒径3mm以下に粉砕し、石炭ととともに混合して成型し、成型体の体積を10cm3以上で50cm3以下、嵩密度を0.8g/cm3以上で1.1g/cm3以下にすることを特徴とする(5)ないし(8)のいずれかに記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
(10)粉砕した木質バイオマスを、石炭とバインダーとともに成型することを特徴とする(5)ないし(9)のいずれかに記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
(11)木質バイオマスを加熱して乾燥した後に粉砕し、石炭とともに成型して成型体とし、該成型体を石炭とともにコークス炉に装入して乾留することを特徴とする木質バイオマスを原料としたコークスの製造方法。
(12)木質バイオマスを粒径3mm以下に粉砕し、石炭ととともに混合して成型し、成型体の体積を10cm3以上で、50cm3以下、嵩密度を0.8g/cm3以上で1.1g/cm3以下とすることを特徴とする(11)に記載の木質バイオマスを原料としたコークスの製造方法。
(13)粉砕した木質バイオマスを、石炭とバインダーとともに成型することを特徴とする(11)または(12)に記載の木質バイオマスを原料としたコークスの製造方法。
2.394(t-CO2/t-coal)×510(万t/y)≒1220(万t-CO2/y)
となる。また、木質バイオマス(水分5mass%)を高炉へ40kg/pig-t吹き込む場合に、カーボンニュートラルである木質バイオマスの吹き込みによる微粉炭吹き込み量38kg/pig-t(40kg/pig-t×0.95)の他、後述する表7より高反応性コークス80mass%を高炉で使用し還元材比11kg/pig-t(内訳:PCI比3kg/pig-t、coke比8kg/pig-t)を削減できる。その結果、2005年度の銑鉄生産量82940千t(非特許文献8参照。)を考慮すると、木質バイオマスを微粉炭吹込み代替および高反応性コークス原料に使用することによるコークス比低減効果による石炭使用量の削減効果は、
(0.038(coal-t/pig-t)+0.003(coal-t/pig-t)+0.008(coke-t/pig-t)/0.75(coke-t/coal-t))×82940千(pig-t/y)=4288千(coal-t/y)
と評価できる。この様に本発明は従来鉄鋼分野では使用に課題のあった木質バイオマスの有効利用により鉄鋼業の省エネルギーと環境排出CO2削減を同時に達成する技術を提示するものである。
C(コークス)+CO2=2CO・・・(a)
(a)式の反応は吸熱反応のため高反応性コークスの使用により熱保存帯温度は低下傾向となる。この領域で主体となる下記(b)式で示す酸化鉄の還元は熱保存帯領域が長いためほぼ平衡に達することが知られている。
FeO+CO=Fe+CO2・・・(b)
(b)式は平衡温度が低下するにつれ平衡するガス酸化度(=CO2/(CO+CO2(-))は高酸化度側、換言すると高ガス利用率側に移行するため還元材比は低下することになる。以上が木質バイオマスを原料とした高反応性コークスを使用した高炉の操業技術の導入により、還元材比が低下できる理由である。熱保存帯温度を低下させることにより還元材比を低下させるという考えは非特許文献3で実験によって検証されており、その達成手段としてバイオマスを原料とした高反応性コークスが寄与することが明らかである。
木質バイオマスをロータリーキルンで乾燥する場合、その乾燥挙動は乾燥温度、バイオマスに対する乾燥ガス流量比、バイオマス初期水分、バイオマス粒径などに影響を受ける。これらの因子のなかで乾燥上重要な操作因子について乾燥実験を行った結果を示す。実験は径3m、長さ10mのロータリーキルンを用いて行った。その他の主要操業条件を表3に示す。
バイオマス粒径の乾燥挙動に及ぼす影響からキルンに供給するバイオマスの適正粒径範囲を求める実験を行った。表3の操業条件をもとにバイオマス初期水分35mass%、ガス量原単位1300Nm3/t、バイオマス供給量50t/hの条件下で乾燥試験を行い図6にその結果を示す。この結果より粒径が小さい場合比表面積が大きいため乾燥速度が高く、たとえば粒径1cmではバイオマスのキルン装入部よりおよそ4m付近で乾燥は完了する。これに対し粒径の拡大と共に乾燥は遅れ粒径7cmではキルン排鉱部で乾燥率はおよそ90%に留まる。このためバイオマスの粒径は小さい方が望ましいが、その場合粒径分布の広がりにより製品の歩留まりが悪化するといった問題点が生じる。またチップの入荷の際、小粒径を要求すると粒径調整にコストがかかり経済性の優位性がなくなる。一方、図6より粒径の拡大により乾燥遅れが顕著になり生産性は悪化する。このため望ましい受け入れバイオマスの適正粒径は1〜10cmの範囲と決められる。
図7に初期バイオマス水分含有量の乾燥特性に及ぼす影響を排熱供給量原単位1300Nm3/t、バイオマス供給量40t/h、バイオマス平均粒径3cm及び表3の操業条件をもとに実験によって求めた結果を示す。これより初期バイオマス水分含有量が30mass%ではキルンのバイオマス装入口よりほぼ7m位置で乾燥は完了する。しかるに水分が35mass%ではもはやこの条件では乾燥は完了しないため排熱供給量原単位1500Nm3/tが必要である。さらに水分が40mass%では同様に1700Nm3/tが必要になる。この場合のキルン内ガス空塔速度はそれぞれ2.0、2.4、2.7m/sであった。それゆえに実施例1と同様含水率が高くなるにつれガス空塔速度が高まる結果、キルン内でのバイオマスの流動化が顕著になり乾燥バイオマス歩留まりが悪化する。今回の実験条件下では初期バイオマス水分は40mass%以下、望ましくは35mass%以下に管理されたバイオマス水分条件が望ましいことが認められた。
乾燥バイオマス、石炭とバインダーを混合、成型した後、成型物を通常のコークス製造用配合炭に配合し、250kg乾留試験炉に装入してコークス製造試験を行った。
図9は、実施例4の成型物製造法と同様な方法で製造した成型物中のバイオマスの水分含有量とコークス性状の関係を示した。水分含有量の異なるバイオマスと石炭を混合、成型後、通常のコークス用配合炭に30mass%の一定比率で配合し、250kg試験乾留炉へ装入してコークスを製造した。コークス性状はバイオマスの水分含有量が高いほどコークス強度およびCO2反応後強度が低下している。コークス炉内の加熱過程でバイオマスの水分含有量が高いと水分が蒸発する時に成型物が崩壊する。それゆえに高水分バイオマスの脱水に伴う蒸発潜熱増に加え、バイオマスと石炭粒子との密着性が低下するとともに低嵩密度化するために溶融性が阻害され、コークス強度が低下するものと推察される。これより、バイオマスの含有水分量は10mass%以下、好ましくは乾燥後のバイオマスの着火性から5mass%から10mass%の範囲が最も望ましい。
図10は、実施例4の成型物製造法と同様な方法で製造した成型物中のバイオマスの粒径とコークス性状への影響を示した。粒径の異なるバイオマスと石炭を混合、成型後、成型物を通常のコークス用配合炭に30mass%の一定比率で配合し、250kg試験乾留炉へ装入してコークスを製造した。コークス性状はバイオマスの粒径が大きくなるほどコークス強度およびCO2反応後強度は低下している。バイオマスの粒径が大きくなるほど石炭と粒径差が大きくなるために配合時に均一に混合されず、バイオマスと石炭粒子との溶融性が低下するためコークス強度が低下する。また、バイオマスは溶融性がなく加熱処理時に水分やガスが抜けるためコークス塊内に多孔質なイナート物質として存在する。このためバイオマスの粒径が大きくなると脆弱なイナート物質も大きくなるためコークス強度は低下するものと推察される。また、木質バイオマスは石炭などに比較し繊維質が多く弾力性が高く粉砕性が悪く、例えば1.5mm以下に微粉砕するには粉砕処理および粉砕設備の維持などの費用が高くなる問題がある。
図11は、実施例4の成型物製造法と同様な方法で成型物中のバイオマスの配合割合の成型物性状への影響への関係を示した。成型物の性状としては、圧潰強度、トロンメル強度および成型物歩留(+5mm)を測定した。バイオマスの配合割合を高くすると圧潰強度とトロンメル強度は低下する傾向があり、成型物をコークス炉まで搬送過程での衝撃による粉化を考慮するとバイオマスの添加量は少なくとも25mass%以下、好ましくは20mass%以下が望ましい。また、30mass%以上の配合では成型後のバックスプリング現象が生じ成型物が割れ、成型物歩留が著しく低下し好ましくない。
図12は、実施例4の成型物製造法にて製造した成型物を通常のコークス用配合炭へ配合してコークスを製造した際の、成型物の配合比率とコークス性状の関係を示した。コークス強度、CO2反応後強度は成型物の配合比率が30mass%程度まではあまり変化しないが、40mass%では大きく低下することが確認された。成型物配合比率が増加するとバイオマスの添加量が増加し気孔率が高くなり、コークス強度が低下したものと推定される。しかし、コークスの反応性は成型物の増配合により上昇している。これより、通常コークスと同等の強度を維持しながら反応性が高いコークスを製造するためには、成型物の配合比率は30mass%以下が好ましい。また、バインダーの添加量を増加させることでコークス強度やCO2反応後強度を改善することが可能である。さらに、石炭より水素含有量が高いバイオマス原料を配合することにより、通常の副生ガスに比較し、水素濃度が高いガスが生成する。
本発明ではバイオマスの事前乾燥による高炉吹き込み時の熱的負荷削減を意図している。図13にバイオマスを未乾燥状態で吹き込む場合と乾燥して吹き込む場合の高炉レースウエイ空間内のガス組成と温度分布を物質と熱収支に基づく数学モデルで評価した結果を示す。吹き込み用木質バイオマスの化学成分を表5に示す。また羽口から固体燃料を吹き込む条件を表6に示す。これより吹き込み条件1は基準吹き込み条件であり、微粉炭のみ118kg/tを吹き込んだ条件である。これに対し吹き込み条件2は水分含有量30mass%のバイオマスを未乾燥で40kg/t吹き込む場合であり、この時には微粉炭吹き込み量を78kg/tとして全体の吹き込み量を吹き込み条件1にあわせてある。吹き込み条件3は本発明の範囲内の条件である。吹き込み条件2と同様であるが事前に水分含有量5mass%まで乾燥したバイオマスを吹き込む条件である。
バイオマスと石炭の混合塊成化事前処理により高反応性コークスの製造が可能となった。ここで製造した高反応性コークスを従来のコークスに一部置換して高炉で使用することにより高炉の還元材比削減が達成できることを高炉の物質・熱収支総括モデル(リストモデル)で検証した。検証に当たってはまず高反応性コークスを使用せず微粉炭のみを吹き込む通常の高炉操業を基準とする。この基準操業条件をもとに高反応性コークスに切り替え、反応率に応じ非特許文献3の図5に示すコークス反応率向上による熱保存帯温度低下を考慮した。
バイオマスの乾燥をグレート方式で行うことを前提に実験によって乾燥挙動を明らかにした。図15下部は鉄鉱石焼結用ポットグレート炉を用いたバイオマスの乾燥実験装置である。図15上部のグレート式乾燥炉プロセス19を模擬して、グレート上の一部を固定層で実験した。断熱ポット20に所定の水分及び粒径の木質バイオマス21を層厚30cmの高さに充填する。この状態で所定温度及び所定流量の乾燥ガス22をポット20の上部より偏流のない条件で供給し、ポット20下部からブロワー23を介して排気する。実験中はベッド上の温度計24、ベッド中の温度計25、ベッド下層部の温度計26により温度を連続的に測温すると共に所定時間毎に実験を中断しそれぞれの部分のバイオマスを採取し水分の測定を行った。バイオマスの乾燥特性はバイオマス平均粒径、ベッド内通過ガス流速、バイオマス層厚、乾燥温度、初期含有水分などにより影響を受ける。本実験ではこれらの操業因子が乾燥特性に及ぼす影響を実験的に明らかにした。グレート炉方式のバイオマス乾燥において基準操業をバイオマス平均粒径5cm、乾燥ガス空塔速度1.0m/s、バイオマス層厚30cm、乾燥温度300℃、バイオマス初期水分35mass%と想定し、ポットテストの基準となる条件を設定した。
図16に実験結果を示す。乾燥が活発に進んでいる時間領域では乾燥に伴う蒸発潜熱がガス側から奪われるためガスの昇温が遅れることが認められる。基準条件の空塔速度1.0m/sではほぼ20分で乾燥は終了するが0.5m/sではベッド下層部のバイオマスは60mass%程度しか乾燥しない。なお流速が1.5m/sまで上昇すると乾燥は16分程度で終了する。これより基準操業の条件を乾燥条件とするとベッド内を通過するガス空塔速度は1.0m/s以上が望ましい。
図17に実験結果を示す。これより乾燥温度が200℃以下になるとベッド下層部の乾燥が遅れ始める。100℃では50%程度の乾燥しか進行しないため乾燥時間をもっと長く設定する必要が生ずる。なお300℃では乾燥が十分進むもののこれ以上ではバイオマスに着火する恐れがあり乾燥温度は100〜300℃、望ましくは200〜300℃が好ましい。
図18に実験結果を示す。バイオマス水分が増すと乾燥の遅延が顕著になる。基準操業の実験条件下では初期水分の限界は40mass%と評価される。45mass%以上ではベッドの下層部の昇温が十分ではないものの、乾燥はほぼ90mass%達成されている。なお初期水分が45mass%以上ではガス流速を上昇するか或いは乾燥時間の延長が必要となる。
図19に実験結果を示す。バイオマス粒径が増すとバイオマス比表面積が減少し、伝熱面積が減少する結果乾燥速度は遅れる。基準操業の条件ではバイオマス径が10cmになると乾燥時間は26分近くまで遅延するもののまだ乾燥条件に余裕がある。このため乾燥温度の低下、乾燥ガス空塔速度の低下など経済性を考慮した操業の選択が可能と推定される。粒径が10cm以下であれば更に操業条件に余裕が出来る。
グレート炉を模擬した乾燥実験から適正乾燥条件は以下のように設定できる。
乾燥ガス空塔速度:0.5〜1.5m/s
乾燥ガス温度:100〜300℃(但し100℃では乾燥時間の延長が必要)
バイオマス初期水分:40mass%以下
バイオマス粒径:10cm以下(粒径の低下により乾燥条件緩和が可能)
2 乾燥工程
3 焼結機クーラー
4 焼結機
5 専用保管槽
6 解砕・粉砕機
7 石炭
8 バインダー
9 混合機
10 成型工程
11 篩い分け工程
12 石炭配合槽
13 コークス炉
14 高炉
15 銑鉄
16 スラグ
17 バイオマス貯留槽
18 微粉炭
19 グレート式乾燥炉プロセス
20 断熱ポット
21 木質バイオマス
22 乾燥ガス
23 ブロワー
24 ベッド上の温度計
25 ベッド中の温度計
26 ベッド下層部の温度計
Claims (9)
- 木質バイオマスを加熱して乾燥後に粉砕し、石炭とともに成型して成型体とし、該成型体を石炭とともに室炉式コークス炉に装入して乾留して製造したコークスを高炉に装入することを特徴とする木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
- 木質バイオマスを、水分含有量が5mass%以上、30mass%未満となるように乾燥することを特徴とする請求項1に記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
- 木質バイオマスの乾燥を、300℃以下の排熱を用いて行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
- 乾燥後の木質バイオマスを粉砕し、石炭とともに成型して成型体とし、該成型体を石炭とともに室炉式コークス炉に装入して乾留して製造したコークスの高炉への装入割合を、高炉に装入する全コークス量の80mass%未満とすることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
- 木質バイオマスを粒径3mm以下に粉砕し、石炭ととともに混合して成型し、成型体の体積を10cm3以上で50cm3以下、嵩密度を0.8g/cm3以上で1.1g/cm3以下にすることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
- 粉砕した木質バイオマスを、石炭とバインダーとともに成型することを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の木質バイオマスを原料とした高炉操業方法。
- 木質バイオマスを加熱して乾燥した後に粉砕し、石炭とともに成型して成型体とし、該成型体を石炭とともに室炉式コークス炉に装入して乾留することを特徴とする木質バイオマスを原料としたコークスの製造方法。
- 木質バイオマスを粒径3mm以下に粉砕し、石炭ととともに混合して成型し、成型体の体積を10cm3以上で50cm3以下、嵩密度を0.8g/cm3以上で1.1g/cm3以下とすることを特徴とする請求項7に記載の木質バイオマスを原料としたコークスの製造方法。
- 粉砕した木質バイオマスを、石炭とバインダーとともに成型することを特徴とする請求項7または請求項8に記載の木質バイオマスを原料としたコークスの製造方法。
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