JP5644366B2 - バイオマスの高炉利用方法 - Google Patents
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Description
本発明は、バイオマスを乾留して製造したバイオマス炭を高炉で利用する際に、微粉炭として高炉の補助還元材として利用する、バイオマスの高炉利用方法に関する。
竪型炉として代表的な高炉では、鉄鉱石又はスクラップなどの鉄源と、鉄鉱石還元材および熱源としてコークスとが原料として用いられる。高炉操業に適したコークスを製造するためには、高価で良質の原料炭を必要とする。そのため、現在、燃料用石炭を微粉砕した微粉炭を熱源として高炉の羽口から吹き込み、高価なコークス使用量を削減する高炉の操業方法が行なわれている。吹き込む微粉炭の量は、操業条件によっても異なるが、吹き込み量が多いほどコークス使用量を削減でき、コストダウンが可能となる。通常、銑鉄１トン当たり１００〜２００ｋｇの微粉炭を吹き込むと、ほぼ同量のコークス使用量が削減できる。ここで吹き込まれる微粉炭の粒度分布は、一般に粒径７４μm以下のものが全微粉炭質量の６０％〜８０％（これを微粉炭の粒度分布が７４μｍ以下、６０〜８０ｍａｓｓ%と略して記載する。）範囲のものが工業的に用いられている。
一方、地球温暖化防止の観点からＣＯ2排出量削減が緊急の課題である。鉄鋼業においてもＣＯ2排出量削減のための技術開発が行われている。ＣＯ2排出量削減の方法としては、インプットの炭素量を削減する、アウトプットのＣＯ2を回収する、従来の石炭・石油等をカーボンフリーの炭素源に代替する等の方法がある。カーボンフリーの炭素源としてはバイオマスが知られており、鉄鋼業で石炭代替としてバイオマスを利用できれば、ＣＯ2排出量削減に寄与できる。バイオマスとしては、建築家屋の解体で発生する木材廃棄物、製材所発生の木質系廃棄物、森林等での剪定廃棄物、農業系廃棄物などがある。その処理利用方法としては、埋立て、放置、焼却、燃料等が主なものである。また、燃料利用を目的としたバイオ燃料作物も知られている。
バイオマスは炭素、酸素、水素から構成されているが、そのもの自体は高含水率、低発熱量（例えば、水分１５ｍａｓｓ％、発熱量１６．２ＭＪ／ｋｇ−乾燥基準）であり、直接製鉄プロセスで使用することは効率面で有利ではない。また、廃木材を直接粒径７４μm以下に粉砕することは通常の石炭ミル（ローラーミル、ボールミル等）では困難であり、衝撃方式等の粉砕機を必要とする。
バイオマスの高炉での直接利用について、特許文献１には、廃木材を０．５〜１０ｍｍの粒度に粉砕し、（粒状の）廃プラスチックを１０／９０〜９０／１０の範囲内の混合比（廃木材／廃プラスチックの質量比）で混合することにより、燃焼カロリーおよび／または比表面積によって表される燃焼性、ならびに、気送性を高め、高炉に装入するという、廃木材の処理方法が開示されている。また、特許文献１には、廃木材を０．５〜１０ｍｍの粒度に粉砕し、間接加熱方式によって８００℃以上の温度で炭化し、更に、粒状の廃プラスチックを１０／９０〜９０／１０の範囲内の混合比（廃木材／廃プラスチックの質量比）で混合して、高炉に装入する廃木材の処理方法も開示されている。
上記の特許文献１に記載の従来技術においては、以下（ａ）〜（ｃ）の課題がある。
（ａ）バイオマスである木材をプラスチックと混合し、燃焼カロリーを高めることができるが、０．５ｍｍ〜１０ｍｍに破砕したといえども、木材は繊維質であり、高アスペクト比となるため、配管閉塞等の原因となり、気流輸送性が悪い。
（ｂ）廃木材等のバイオマスは含水率が高く、微粉炭用石炭（７０００〜８０００ｋｃａｌ／ｋｇ）に比較して一般的に低発熱量（４０００〜５０００ｋｃａｌ／ｋｇ−乾燥基準）である。粒径１０ｍｍ程度の廃プラスチックの燃焼に伴い、廃木材の燃焼性は高まるものの、木材自体は微粉砕されておらず、発熱量も低いままであり、抜本的なバイオマスの燃焼性向上技術ではない。
（ｃ）粒径１０ｍｍ程度の廃プラスチックと混合吹込みすることから、通常微粉炭吹き込みに用いる設備を利用することができず、別途吹込み設備、吹込み配管、ランスなどを必要とする。
このように従来の技術では、バイオマスを微粉炭を用いる場合と同様にして、高炉吹き込み原料に用いることは困難である。
したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、バイオマスを微粉炭の代替として高炉吹き込み原料として用いる際に、バイオマスの燃焼性と発熱量を微粉炭と同程度に高めることが可能であり、気流輸送性を高めて従来の微粉炭吹き込み設備が利用できる、バイオマスの利用方法を提供することにある。
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）バイオマスを乾留してハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）が４５以上を示すバイオマス炭を製造し、該バイオマス炭と石炭の混合物を粉砕して粉砕物を生成し、該粉砕物を高炉の補助還元材として羽口から吹き込むことを特徴とするバイオマスの高炉利用方法。
（２）前記バイオマス炭の製造が、バイオマスを４５０℃以上の乾留温度、３０分以上の乾留時間で、乾留してバイオマス炭を製造することからなることを特徴とする請求項１に記載のバイオマスの高炉利用方法。
（３）前記乾留温度が４５０℃以上、８００℃未満であり、前記乾留時間が３０分以上、９０分以下であることを特徴とする（２）に記載のバイオマスの高炉利用方法。
（４）前記乾留温度が５００〜６００℃であり、前記乾留時間が３０〜６０分であることを特徴とする（３）に記載のバイオマスの高炉利用方法。
（５）前記バイオマス炭のハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）が、４５以上、９０以下であることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれか１つに記載のバイオマスの高炉利用方法。
（６）前記ハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）が、６０以上、９０以下であることを特徴とする（５）に記載のバイオマスの高炉利用方法。
（７）前記混合物が、バイオマス炭と石炭の合計量に対して０．１〜５０質量％のバイオマス炭の配合割合を有することを特徴とする（１）ないし（６）のいずれか１つに記載のバイオマスの高炉利用方法。
（８）前記粉砕物が、粒径７４μｍ以下が８０ｍａｓｓ％以上の粒度分布を有することを特徴とする（１）ないし（７）のいずれか１つに記載のバイオマスの高炉利用方法。
（１）バイオマスを乾留してハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）が４５以上を示すバイオマス炭を製造し、該バイオマス炭と石炭の混合物を粉砕して粉砕物を生成し、該粉砕物を高炉の補助還元材として羽口から吹き込むことを特徴とするバイオマスの高炉利用方法。
（２）前記バイオマス炭の製造が、バイオマスを４５０℃以上の乾留温度、３０分以上の乾留時間で、乾留してバイオマス炭を製造することからなることを特徴とする請求項１に記載のバイオマスの高炉利用方法。
（３）前記乾留温度が４５０℃以上、８００℃未満であり、前記乾留時間が３０分以上、９０分以下であることを特徴とする（２）に記載のバイオマスの高炉利用方法。
（４）前記乾留温度が５００〜６００℃であり、前記乾留時間が３０〜６０分であることを特徴とする（３）に記載のバイオマスの高炉利用方法。
（５）前記バイオマス炭のハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）が、４５以上、９０以下であることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれか１つに記載のバイオマスの高炉利用方法。
（６）前記ハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）が、６０以上、９０以下であることを特徴とする（５）に記載のバイオマスの高炉利用方法。
（７）前記混合物が、バイオマス炭と石炭の合計量に対して０．１〜５０質量％のバイオマス炭の配合割合を有することを特徴とする（１）ないし（６）のいずれか１つに記載のバイオマスの高炉利用方法。
（８）前記粉砕物が、粒径７４μｍ以下が８０ｍａｓｓ％以上の粒度分布を有することを特徴とする（１）ないし（７）のいずれか１つに記載のバイオマスの高炉利用方法。
本発明によれば、バイオマスをバイオマス炭とすることで、バイオマス自体の発熱量を高めて高炉吹き込み原料として用いることができる。また、微粉炭を製造する石炭ミル（粉砕機）を用いてバイオマスを粉砕できるようになり、石炭ミルでの効率的な粉砕が可能となる。微粉砕されたバイオマスは、高炉への気流輸送を悪化させずに、微粉炭の吹き込み設備を用いて、高炉において効率的に利用することができる。また、バイオマスを高炉で有効利用することにより、製鉄プロセスにおけるＣＯ2排出量削減に寄与することができる。
高炉の吹き込み原料（補助還元材）として石炭をローラーミル等で粉砕した微粉炭が利用されている。微粉炭の粒度は、高炉内での燃焼性から決定され、通常、粒径０．１ｍｍ以下のものを用いるのが一般的である。また、石炭の粉砕には通常、ローラ−ミルが使用されている。石炭の粉砕性を評価する指標としては、ハードグローブ法（ＪＩＳ Ｍ ８８０１）で測定したハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）が知られている。通常、石炭を粉砕し、高炉吹き込み用の微粉炭を製造する際にも、ハードグローブ法を用いて石炭を評価し、石炭のハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）が４５〜９０程度のものを微粉炭原料として使用している。
本発明ではバイオマスを上記の微粉炭の代替として用いるために、バイオマスを乾留してバイオマス炭を製造する。バイオマスの乾留とは、バイオマスの炭化であり、空気（酸素）の供給を遮断または制限して加熱し、気体（木ガスとも呼ばれる）、液体（タール）、固体（炭）の生成物を得る技術を言う。バイオマスをバイオマス炭とすることで、石炭とともに微粉砕することが可能となり、この粉砕物を通常の微粉炭と同様に高炉の補助還元材として羽口から吹き込むことができる。従って、バイオマス炭についても石炭粉砕機にて粉砕する場合には上記の粉砕性の指標に準じたものでなければならず、バイオマス炭のハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）は４５以上とする必要がある。ＨＧＩ４５未満では石炭と共に粉砕することが困難である。一方でＨＧＩが９０を超えると過粉砕となる怖れがあり、バイオマス炭のＨＧＩは９０以下とすることが好ましい。より好ましいＨＧＩは６０以上、９０以下である。
バイオマス炭のＨＧＩはバイオマスの乾留条件で調整可能である。本発明者らはバイオマス炭のＨＧＩを４５以上とするため、バイオマスの乾留条件とＨＧＩの関係を見出した。すなわち、バイオマスの乾留温度が４５０℃以上、乾留時間が３０分以上であれば、ＨＧＩが４５以上となり、石炭ミルで利用可能である。また、乾留温度４５０℃以上で、乾留時間３０分以上乾留することにより、水分が除去され、発熱量が向上し、バイオマス炭の発熱量を石炭と同程度とすることが可能となる。但し、８００℃以上で乾留を行うと、バイオマス炭の収率が低下するとともに生成したバイオマス炭の炭化が進行し、グラファイト構造が形成され硬いものとなるので、バイオマス利用の観点からは８００℃未満とすることが好ましい。また、乾留時間を必要以上に長くしてもバイオマス炭の収率が低下するだけである。したがって、前記乾留温度は４５０℃以上、８００℃未満とすることが好ましい。また、前記乾留時間は３０分以上、９０分以下とすることが好ましい。特に好ましくは、前記乾留温度を５００〜６００℃、前記乾留時間を３０〜６０分とする。
バイオマスの乾留方式は、通常のバッチ式、ロータリーキルン式、竪型炉を用いる方式等いずれでもよく、連続プロセスとして採用可能なロータリーキルン式が好ましい。発生した乾留ガスはバイオマスの乾留の熱源として利用してもよく、製鉄の化工プロセスに供給してもよい。
バイオマスの乾留に用いる乾留炉の加熱方法は、上記のように発生する乾留ガスを燃焼し、これを用いて加熱してもよく、別途重油、プロパン等燃料ガスを燃焼させ加熱ガスとして用いてもよい。また、燃料ガスを燃焼させる方法以外に、電気加熱により加熱してもよい。電気加熱の場合では乾留炉をいくつかの部分に分割してそれぞれの部分で温度制御することが可能である。
バイオマス炭と石炭とを混合して粉砕する際の混合割合は、特に指定するものではないが、混合して粉砕することにより、粉砕性が向上する。例えば、石炭よりＨＧＩの低いバイオマス炭を混合した場合は、硬いバイオマス炭が石炭をさらに粉砕するためである。
なお、バイオマスとは、ある一定量集積した動植物資源とこれを起源とする廃棄物の総称（ただし、化石資源を除く）であり、本発明で用いるバイオマスには、農業系、林業系、畜産系、水産系、廃棄物系等の、熱分解して炭化物を生成するあらゆるバイオマスを用いることができる。有効発熱量の高いバイオマスを用いることが好ましく、木質系バイオマスを用いることが好ましい。木質系バイオマスとしては、パルプ黒液、チップダスト等の製紙副産物、樹皮、のこ屑等の製材副産物、枝、葉、梢、端尺材等の林地残材、スギ、ヒノキ、マツ類等の除間伐材、食用菌類の廃ホダ木等の特用林産からのもの、シイ、コナラ、マツ等の薪炭林、ヤナギ、ポプラ、ユーカリ、マツ等の短伐期林業等の林業系バイオマスや、市町村の街路樹、個人宅の庭木等の剪定枝条等の一般廃棄物や、国や県の街路樹、企業の庭木等の剪定枝条、建設・建築廃材等の産業廃棄物等が挙げられる。農業系バイオマスに分類される、廃棄物・副産物を発生源とする籾殻、麦わら、稲わら、サトウキビカス、パームヤシ等や、エネルギー作物を発生源とする米糠、菜種、大豆等の農業系バイオマスの一部も木質系バイオマスとして好適に用いることができる。
既に述べたように、バイオマス炭のハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）は４５以上とする必要がある。上記のバイオマスの中にはヤシの殻のようにもともと硬質であり、上記の乾留工程を経てバイオマス炭としても微粉砕が困難であり、ＨＧＩが３５程度であるバイオマスも存在する。このようなＨＧＩが低いバイオマス炭をローラーミルに投入した場合には、石炭を粉砕処理する場合と比較して粉砕処理により多くの時間を必要とし、処理速度の低下、時間当たりの粉砕処理量の減少をもたらす。また、石炭と共にローラーミルに投入した場合には石炭が先に粉砕され、先に排出されることにより、ローラーミル内にバイオマス炭が残留し、排出された粉砕物中のバイオマス炭と石炭の比率が、投入時とは異なる場合がある。
同じくヤシ由来のバイオマス炭でもヤシの幹を原料とする場合にはＨＧＩは７２程度であり、ローラーミルで石炭と同等に粉砕することが可能である。このように、炭化後のＨＧＩが４５以上となるバイオマス原料を選定することで、高炉吹き込みに好適なバイオマス炭を製造することが可能となる。これらのバイオマス炭は、従来の石炭の粉砕プロセスを変更することなく活用することができ、バイオマス炭を従来の石炭と同等のコストで粉砕することが可能となる。なお、ＨＧＩが４５未満のバイオマス炭であっても、ローラーミルでの処理時間を長くする、ジェットミルなどの回転翼で粉砕する粉砕機を用いて粉砕することなどで、石炭と同程度の粒度に粉砕することは可能であるが、新規設備の導入が必要となり、単位時間当たりの処理量が低下するため、製造コストが増加するという問題がある。
年間の出銑量が５００万ｔである高炉において、銑鉄１ｔあたり１００〜２００ｋｇの微粉炭を吹き込む場合を想定すると、年間の微粉炭使用量は５０〜１００万ｔであるが、例えば、この微粉炭の０．１質量％をバイオマス炭で置き換えた場合、年間の使用量は５百〜１千ｔであり、カーボンニュートラルなバイオマス炭を使用することによるＣＯ2排出量削減量は年間４千ｔ以下となり、この程度のバイオマス炭の使用量ではＣＯ2排出量削減効果に乏しいと考えられる。一方、微粉炭の５０質量％をバイオマス炭で置き換えることを検討すると、年間２５〜５０万ｔのバイオマス炭が必要となる。ここで、バイオマスからバイオマス炭を製造する場合の炭化物収率を２０質量％と想定すると、年間１２５〜２５０万ｔのバイオマス原料が必要であり、その場合は林地残材などの木質系バイオマス、河川敷などで発生する草本系バイオマス、下水汚泥、食品廃棄物など様々なバイオマス原料を使用することになる。このような多種多様のバイオマスを用いる場合、原料の種類の違いにより、製造したバイオマス炭の性状は、粉砕性以外の成分などの点においても様々に異なることになるが、微粉炭と混合して使用することで、５０質量％程度までバイオマス炭を混合して使用しても、混合物の性状が安定するので、高炉での使用が十分に可能となる。微粉炭としては、多種多様のバイオマス原料から製造したバイオマス炭と比較して、固定炭素、揮発分、灰分等の、構成元素の含有比率のバラツキが少ないものを用いることが好ましい。
図１を用いて本発明の一実施形態を説明する。Ａは原料バイオマス、Ｂは石炭、Ｃは燃焼ガス、Ｄはバイオマス炭、Ｅは排ガスである。バイオマスＡはバイオマスホッパー１に貯留され、コンベア２によりロータリーキルン３に供給される。ロータリーキルン３内でバイオマスＡは乾留されてバイオマス炭Ｄとなり、バイオマス炭ホッパー７に貯留され、石炭Ｂととも定量排出され、コンベア９により石炭バンカー１０に供給される。石炭バンカー１０より石炭ミル１１に供給後、微粉砕され、コンベア１２により吹込み設備１３に移送される。吹込み設備１３より高炉１４の羽口部１５に吹き込まれ、鉄鉱石の還元材として利用される。排ガスＥには可燃性ガスが含まれるため、これを加熱ガス発生炉６で燃焼してロータリーキルン３の外熱の加熱源として利用することができる。
ロータリーキルン３から排出されるバイオマス炭Ｄは冷却することが好ましく、冷却ガスに不活性ガスを用いればよい。また、冷却部して排出されるバイオマス炭は発火しない温度範囲であればよく、２００℃以下とすることが好ましい。より好ましくは１００℃以下がよい。
図１に示す設備を用いてバイオマスの乾留試験を行った。但し、ロータリーキルンの加熱方法は３分割の電気加熱とした。ロータリーキルンは内径１５ｃｍ、長さ１．０ｍ、傾斜角１度であり、乾留時間はロータリーキルン回転数を変更し調整した。バイオマスは３〜１０ｍｍに粉砕分級した杉の廃木材、ヤシの幹とヤシの殻を用いた。使用したバイオマスの組成を表１に示す。
ロータリーキルンへのバイオマス供給速度は１．０ｋｇ／ｈとし、乾留温度と乾留時間を変化させてＮｏ．１〜１２のバイオマス炭を製造した。得られたバイオマス炭のＨＧＩおよび発熱量を測定した。試験条件および結果を表２に示す。
表２によれば、４５０℃以上、３０分以上で乾留することにより、ＨＧＩで４５以上のバイオマス炭を得ることができ、石炭ミルでも容易に粉砕することが可能となった。
実施例１で得られたＮｏ．１〜７、１１のバイオマス炭に、ＨＧＩが８６の石炭を、バイオマス炭：石炭＝１０：９０の質量割合で混合し、ＨＧＩを測定した。混合物のＨＧＩは７８〜８３の範囲となり、混合状態でも石炭ミルでの粉砕に問題ないことが分かった。
この混合物をローラーミルで粒度分布７４μm以下、８０ｍａｓｓ％以上に粉砕し、微粉炭吹き込み設備を用いて高炉の羽口から吹き込み試験を行った。吹き込み配管に詰まりを生じることもなく、通常の微粉炭吹き込みと同様の操業を行なうことができた。
１ バイオマスホッパー
２ コンベア（バイオマス移送手段）
３ ロータリーキルン
４ バイオマス炭移送手段
５ 乾留ガス、タール移送手段
６ 加熱ガス発生炉
７ バイオマス炭ホッパー
８ 石炭ホッパー
９ コンベア（バイオマス炭、石炭移送手段）
１０ 石炭バンカー
１１ 石炭ミル
１２ コンベア（微粉炭移送手段）
１３ 吹込み設備
１４ 高炉
１５ 羽口部
Ａ バイオマス
Ｂ 石炭
Ｃ 燃焼ガス
Ｄ バイオマス炭
Ｅ 排ガス
２ コンベア（バイオマス移送手段）
３ ロータリーキルン
４ バイオマス炭移送手段
５ 乾留ガス、タール移送手段
６ 加熱ガス発生炉
７ バイオマス炭ホッパー
８ 石炭ホッパー
９ コンベア（バイオマス炭、石炭移送手段）
１０ 石炭バンカー
１１ 石炭ミル
１２ コンベア（微粉炭移送手段）
１３ 吹込み設備
１４ 高炉
１５ 羽口部
Ａ バイオマス
Ｂ 石炭
Ｃ 燃焼ガス
Ｄ バイオマス炭
Ｅ 排ガス
Claims (8)
- バイオマスを５００℃以上８００℃未満の乾留温度（但し、５００℃を除く）、３０分以上の乾留時間で乾留してハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）が４５以上を示すバイオマス炭を製造し、
該バイオマス炭と石炭の混合物を粉砕して粉砕物を生成し、
該粉砕物を高炉の補助還元材として羽口から吹き込むことを特徴とするバイオマスの高炉利用方法。 - 前記乾留時間が３０分以上、９０分以下であることを特徴とする請求項１に記載のバイオマスの高炉利用方法。
- 前記乾留温度が５００〜６００℃であり、前記乾留時間が３０〜６０分であることを特徴とする請求項２に記載のバイオマスの高炉利用方法。
- 前記バイオマス炭のハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）が、４５以上、９０以下であ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１つに記載のバイオマスの高炉利用方法。
- 前記ハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）が、６０以上、９０以下であることを特徴とする請求項４に記載のバイオマスの高炉利用方法。
- 前記混合物が、バイオマス炭と石炭の合計量に対して０．１〜５０質量％のバイオマス炭の配合割合を有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１つに記載のバイオマスの高炉利用方法。
- 前記粉砕物が、粒径７４μｍ以下が８０ｍａｓｓ％以上の粒度分布を有することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載のバイオマスの高炉利用方法。
- 前記バイオマスとしてヤシを選定し、
該ヤシの幹を乾留して、前記バイオマス炭を製造することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載のバイオマスの高炉利用方法。
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