JP5846289B2 - 転炉用昇熱材 - Google Patents
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Description
本発明は、カーボンニュートラルなパームヤシ由来などの植物系バイオマスを原料とした炭化物を製造し、前記炭化物にバインダーを加えて成型した、硫黄含有量が低い転炉用昇熱材に関する。
製鋼工程において、転炉は酸素吹錬によって、炭素をはじめとする不純物を酸化物として除去する。
一方、転炉の前工程である溶銑予備処理において、鉄鋼製品の材料特性面の要求から溶銑中のＳ、Ｐなどを除く処理を行っているが、処理により溶銑温度が低下する。また、二酸化炭素排出量削減の観点から転炉に投入するスクラップを増やし、溶銑配合率を低下させることを指向した操業が試みられている。
このため、転炉では、従来は溶銑に含まれている炭素分の酸化熱を利用していた熱量が不足し、石炭、コークス粉、黒鉛、電極粉、ＳｉＣなどを成型した固形物を昇熱材として投入し、不足する熱量を補っている。
そのような転炉用昇熱材については、以下のような技術が開示されている。
たとえば、特許文献１では、特定粒度分布の石炭、コークス粉、黒鉛などの炭素粉とバインダーとを、特定水分率に調湿して混練後、高圧成形、乾燥することにより、炭素粉を十分な強度の固形物に成型することを可能としている。
また、特許文献２では、炭素粉を高温で焼成された電極又は電極屑から得られたものに限定することで、硫黄分を０．０１質量％以下とすることを可能としている。
しかしながら、特許文献１に記載された石炭、コークス粉などの炭素粉を用いた転炉用昇熱材は、硫黄の含有量が０．５質量％前後と多いので、鉄鋼製品の材料特性面の要求から決定される溶鋼中の硫黄の含有量の上限を考慮すれば、使用量が制限される。
逆に、所望の昇熱量を得るのに必要な昇熱材量を加えたことによって、結果的に溶鋼中の硫黄の含有量の上限を超える量の硫黄が溶鋼中に存在する場合には、転炉の後工程でＲＨ真空脱ガス設備などにより脱硫する必要が生じ経済性に劣る。
また、特許文献２に記載されたように、使用する炭素粉を電極または電極屑に限定する場合には、廃棄される電極及び電極屑の発生量を超えては昇熱材を製造することができない。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、カーボンニュートラルなバイオマスを転炉用昇熱材の主原料とすることによって、従来原料として用いられてきた、石炭、コークス、黒鉛等の化石資源に由来するＣＯ２発生量を削減することが可能であり、かつ硫黄含有量が低く、しかも必要量を安定して製造することが可能な転炉用昇熱材を提供することを目的とするものである。
上記課題を解決するために、本発明では、植物系バイオマスを原料とした炭化物を製造し、その炭化物にバインダーと水を加えて所定の形状の固形物に成型することによって、化石資源由来のＣＯ２発生量を削減することが可能であり、なおかつ硫黄含有量が低い転炉用昇熱材を得るようにしている。
ここで、原料にする植物系バイオマスは、例えば、木質系および草本系の植物系バイオマスである。特に好適な植物系バイオマスとしては、主としてマレーシア、インドネシア両国のプランテーションで栽培されているパームヤシ（アブラヤシ）から粗パーム油を製造する過程で排出されるパームヤシ由来のバイオマスを使用する。
より詳しく述べると、パームヤシ由来のバイオマスとは、パームヤシのＰＫＳ（Ｐａｌｍ Ｋｅｒｎｅｌ Ｓｈｅｌｌ、やし殻）、ＥＦＢ（Ｅｍｐｔｙ Ｆｒｕｉｔ Ｂｕｎｃｈ、空果房）、トランク（幹）、剪定屑（剪定した枝や葉など）などである。
より詳しく述べると、パームヤシ由来のバイオマスとは、パームヤシのＰＫＳ（Ｐａｌｍ Ｋｅｒｎｅｌ Ｓｈｅｌｌ、やし殻）、ＥＦＢ（Ｅｍｐｔｙ Ｆｒｕｉｔ Ｂｕｎｃｈ、空果房）、トランク（幹）、剪定屑（剪定した枝や葉など）などである。
以上のことに基づいて、本発明は以下のような特徴を有している。
［１］植物系バイオマスを炭化して炭化物を製造し、前記炭化物にバインダーおよび水分を加えて成型した転炉用昇熱材であって、水分を除いた乾燥状態での組成が、固定炭素分７０質量％以上、揮発成分２０質量％以下、硫黄分０．１質量％以下、残部灰分であり、別途水分が前記水分を除いた乾燥状態での質量の５質量％以下である、転炉用昇熱材。
［２］植物系バイオマスを炭化して炭化物を製造し、前記炭化物を主原料として、石炭とコークスとからなるグループから選択された少なくとも一つを混合して混合物を製造し、前記混合物にバインダーおよび水分を加えて成型した転炉用昇熱材であって、水分を除いた乾燥状態での組成が、固定炭素分７０質量％以上、揮発成分２０質量％以下、硫黄分０．１質量％以下、残部灰分であり、別途水分が前記転炉用昇熱材の乾燥状態での質量の５質量％以下である、転炉用昇熱材。
［３］前記転炉用昇熱材が、５０ｋｇｆ／個以上の圧潰強度を有する、［１］または［２］に記載の転炉用昇熱材。
［４］前記植物系バイオマスが、パームヤシのやし殻、空果房、幹と剪定屑のグループから選択された少なくとも一つである、［１］または［２］に記載の転炉用昇熱材。
［５］前記バインダーが、澱粉、カルボキシメチルセルロースとコーンスターチのグループから選択された少なくとも一つである、［１］または［２］に記載の転炉用昇熱材。
［６］前記バインダーが、前記炭化物の質量の１質量％〜１５質量％の添加量を有する［１］または［２］に記載の転炉用昇熱材。
［７］前記圧潰強度が、５０〜１１６ｋｇｆ／個である、［３］に記載の転炉用昇熱材。
［８］前記転炉用昇熱材の原料とする炭化物が３ｍｍ以下の粒径を有する、［１］または［２］に記載の転炉用昇熱材。
［９］前記固定炭素分が７０〜８６質量％である、［１］または［２］に記載の転炉用昇熱材。
［１０］前記揮発成分が５〜２０質量％である、［１］または［２］に記載の転炉用昇熱材。
［１１］前記副原料が主原料に対して１０〜１５質量％である、［２］に記載の転炉用昇熱材。
本発明においては、カーボンニュートラルなパームヤシ由来などの植物系バイオマスを原料とした炭化物を製造し、その炭化物を主原料にしてバインダーを加えて成型した、硫黄含有量が０．１質量％以下と低い転炉用昇熱材によって、従来用いられてきた、石炭、コークス、黒鉛等の化石資源を原料とする転炉用昇熱材を代替することにより、化石資源消費量を低減し、温室効果ガスであるＣＯ２の発生を低減させ、地球温暖化問題の解決に寄与する。
ちなみに、近年、地球温暖化防止の観点から二酸化炭素の排出量削減が緊急の課題であり、二酸化炭素排出量削減の方法として、以下の技術開発が行われている。
・インプットの炭素量を削減する。
・アウトプットの二酸化炭素を回収する。
・従来の石炭・石油等をカーボンニュートラルな炭素源に代替する。
・インプットの炭素量を削減する。
・アウトプットの二酸化炭素を回収する。
・従来の石炭・石油等をカーボンニュートラルな炭素源に代替する。
ここで、上記のカーボンニュートラルの炭素源としては、植物系バイオマスが知られている。日本国内で収集可能な植物系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。
しかし、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は発生源が集中しており、また収集ルートが確立されているものが多いため用途開発が進み、需要が供給を上回ってきており、エネルギー源としての利用可能な量は制約を受ける状況にある。また、森林等での剪定廃棄物、農業系廃棄物などは発生源が広く国内に分布しており搬出、収集にコストが発生するため価格面からエネルギー源としての利用が困難な状況にある。
これに対して、パーム油は、世界で年間約３，６００万トン生産され、そのうちの約９割をマレーシアとインドネシアの２カ国で生産される農産物である。パーム油はパームヤシの実から製造され大豆油等と比較し安価であることから、食用油のほか洗剤など工業用途にも多用されている。パーム油を採取するパーム果実はＢｕｎｃｈ（房）と呼ばれている塊状の繊維の集合体に結実する。パーム果実を搾油し粗パーム油を得るが、その際にパーム果実の殻であるＰＫＳが粉砕された状態で副生する。
パーム果実を採取した後のＢｕｎｃｈはＥＦＢ（Ｅｍｐｔｙ Ｆｒｕｉｔ Ｂｕｎｃｈ、空果房）と呼ばれている。ＥＦＢはアルカリ含有量、特にＫの含有量が高く、そのまま燃料として使用すると、揮発したＫがボイラの熱交換器でクリンカを生じ、運転の妨げとなる場合があり、一般的には燃料として利用されていない。また、工業原料としての用途も開発されていないため、現状ではほとんどの場合、パームオイル工場の周辺域で放置されており、腐食によるメタンガスなど温室効果ガスの発生による地球温暖化促進が懸念される。
このため、ＰＫＳ、ＥＦＢ、トランク（幹）、剪定枝などのパームヤシ由来のバイオマス原料から製造したカーボンニュートラルな炭化物を成型した固形物を、石炭、コークス粉、黒鉛、電極粉、ＳｉＣなどを成型した固形物に替えて転炉用昇熱材として使用することは地球温暖化防止の観点から非常に重要である。
パーム油の製造工程において、パーム果実が実ったパームヤシの房は搾油のためにパームオイル工場に集積される。そのため、パームヤシ由来のバイオマス原料の中でも、特に、ＰＫＳ及びＥＦＢは、収集費用を別途必要とすることなく、パームオイル工場内に集積される。収集費用を必要としない安価な原料を使用することで、安価な炭化物を製造することが可能となる。
上述したように、転炉用昇熱材中の炭素源として植物系バイオマスを炭化して得られる炭化物のみを用いるのが、転炉用昇熱材中の硫黄含有量を少なくする点と、石炭、コークス、黒鉛等の化石資源を代替してＣＯ２発生量を削減する点の両方の点から最も好ましいが、転炉用昇熱材中の硫黄含有量が０．１質量％以下となる範囲内で、植物系バイオマスを炭化して得られる炭化物の一部を石炭やコークスに置き換えて成型しても良い。
また、わずかながら添加することとなる硫黄分を効率良く脱硫するために、さらに脱硫剤を加えて転炉用昇熱材を成型しても良い。
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明の一実施形態においては、原料である植物系バイオマスを炭化装置によって炭化して炭化物を製造し、その炭化物を主原料にしてバインダーと水を加えて成型装置によって成型することで、転炉用昇熱材を得るようにしている。
その際に、原料の植物系バイオマスとしては、主にパームヤシのＰＫＳ（やし殻）やＥＦＢ（空果房）等を用いる。そして、その植物系バイオマスから製造した炭化物を用いて成型した転炉用昇熱材の組成は、水分を除いた乾燥状態で、固定炭素分７０質量％以上、揮発成分２０質量％以下、残部灰分であるとともに、硫黄分０．１質量％以下であり、成型後に、別途水分が前記乾燥状態での質量の５質量％以下となるまで乾燥するようにして製造する。ちなみに、乾燥状態とは、１０５℃の高温槽に入れて乾燥し、恒量となった状態を言う。転炉用昇熱材の組成は、この乾燥状態のものを工業分析および成分分析で求める。
ここで、転炉用昇熱材の組成は、水分を除いた乾燥状態で、固定炭素分７５質量％以上、揮発成分１２質量％以下、残部灰分であるとともに、硫黄分０．１質量％以下であれば、質量あたりの熱量が増加するため、より望ましい。また、水分が前記乾燥状態での質量の１質量％以下となるまで乾燥すれば、強度が上昇するので、より望ましい。
なお、転炉用昇熱材（乾燥後のブリケット）の圧潰強度が５０ｋｇｆ／個以上となるように、炭化物の粒径は３ｍｍ以下とするのが好ましい。炭化物の粒径が２ｍｍ以下、さらには１．５ｍｍ以下であれば、強度が上昇するので、より望ましい。
そして、植物系バイオマスを炭化する炭化装置としては、ロータリーキルン炉（外部から炭化に必要な熱を得る外熱式ロータリーキルン炉、原料の一部を燃焼して炭化に必要な熱を得る内熱式ロータリーキルン炉）、バッチ式の炉、シャフト式の炉などを使用する。
図１は、炭化装置１０として、外熱式ロータリーキルン炉１１を用いた場合を示しており、外熱式ロータリーキルン炉１１に投入されたバイオマス原料（植物系バイオマス）１が、燃焼炉１２からの高温ガスの熱によって炭化されて炭化物２となり、炭化物貯留槽１３に貯留される。なお、バイオマス原料１が炭化する際に発生したタールはタール回収槽１４に回収される。
また、マレーシアでは地面を掘り下げ、空気の流れを限定することで酸素の供給を制限しながらＰＫＳを炭化し、炭化物を製造する方法も実施されている。
ここで、製造した炭化物の組成については、炭化物貯留槽１３に貯留された炭化物２をサンプリング調査してもよいが、場合によっては、図２に示すような、反応管１７と加熱炉１８を備えた炭化実験装置１６で得られた炭化物で分析してもよい。
そして、上記のようにして製造された炭化物２について、粒径が３ｍｍを超えているものが含まれている場合（例えば、粒径が約１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲に分布）、成型装置による成型の前処理として、３ｍｍスクリーンの篩を用いて、粒径が３ｍｍ以下のものだけを選別する。必要に応じて、製造された炭化物２をカッターミルにて破砕してから、３ｍｍスクリーンの篩を用いて、粒径が３ｍｍ以下のものだけを選別する。
この時に、メジアン粒径Ｄ５０が２ｍｍ以下であることが好ましい。ここで、メジアン粒径Ｄ５０とは、粒径のふるい目を通過した量の質量百分率（％）を縦軸に、粒径を対数目盛の横軸にしてプロットしたグラフにおいて質量百分率５０％にあたる粒径を読み取って定める。
なお、転炉用昇熱材の原料としては、主原料である炭化物２以外に、必要に応じて副原料として石炭等（石炭または／およびコークス）を混合してもよい。ただし、転炉用昇熱材に成型した後の硫黄含有量が０．１質量％以下とする。転炉用昇熱材に成型した後の硫黄含有量を０．１質量％以下とするには、低硫黄含有炭材である炭化物２の使用比率を、転炉用昇熱材の乾燥状態での質量の８０質量％以上とすることが好ましい。また、必要に応じて、精錬剤（脱硫材）を混合しても良い。
その際に、転炉用昇熱材（乾燥後のブリケット）の圧潰強度が５０ｋｇｆ／個以上となるように、炭化物２および混合した副原料（石炭等）を篩って粒径を３ｍｍ以下とするのが好ましい。炭化物２および混合した副原料（石炭等）の粒径が２ｍｍ以下、さらには１．５ｍｍ以下であれば、強度が上昇するので、より望ましい。
次に、図３（ａ）に示すように、粒径が３ｍｍ以下のものだけになった炭化物２に対して、あるいは、必要に応じて炭化物２に石炭等（石炭または／およびコークス）２２を混合した混合物に対して、所定量のバインダー２４と水２３を加えて、ミキサー２５（撹拌翼２６）で攪拌した後、得られた原料粉末２Ａに対して、図３（ｂ）に示すようなロール式成型機２０を使用し、ロール２１間の線圧を所定の値（例えば、２ｔｆ／ｃｍ）にして、ブリケット３に成型する。そして、成型後のブリケット３を所定の雰囲気温度（例えば、１０５℃）の恒温槽に入れ、恒量となるまで乾燥して、転炉用昇熱材を得る。
その際に、得られた転炉用昇熱材（乾燥後のブリケット３）の圧潰強度が５０ｋｇｆ／個以上を１級合格品とする。これは、圧潰強度が５０ｋｇｆ／個程度あれば、実操業上でのハンドリングが容易になることと、転炉で昇熱材として使用した際に割れて飛散し有効利用されない比率を小さくできるからである。
なお、上記のバインダーとしては、転炉昇熱材に成型した後の硫黄含有量が０．１質量％以下であれば、硫黄分を含んでいるものを用いてもかまわない。より望ましくは、硫黄分を含まない澱粉、カルボキシメチルセルロース、コーンスターチなどを用いる。
これらはベントナイトなどの無機系のバインダーと比較すると、ＣやＨが主成分でありバインダーからも昇熱材としての熱量を得られること、またＳｉＯ２を含まない点で優れている。
バインダーの添加量は炭化物の形状、粒度によって適切な量が異なるが、炭化物の質量に対して１質量％以上、１５質量％以下であることが望ましい。バインダーの添加量が１質量％以下の場合には、ブリケット３の強度が５０ｋｇｆ／個を下回り、ハンドリングが難しくなる。また、バインダーの添加量が１５質量％を超えた場合には、成型用のロールから成型体の型離れが悪くなり、生産性が低下する。
このようにして、この実施形態においては、化石資源由来のＣＯ２発生量を削減することが可能で、かつ硫黄含有量が低い転炉用昇熱材を安定して必要量製造することができる。
本発明の実施例を述べる。
まず、製造された転炉用昇熱材（転炉昇熱材）の組成の比較を行った。
その際に、本発明例として、上記の本発明の実施形態に基づいて、図２に示した炭化実験装置を用いて、パームヤシのＰＫＳ（やし殻）の植物系バイオマスを原料にして炭化物を製造し、得られた炭化物を篩って、粒径を３ｍｍ以下に調整し、その炭化物に必要に応じて石炭等（石炭または／およびコークス）を混合し、炭化物と石炭等を合わせた質量の４質量％の澱粉（アルファー化処理されたもの）を加え、さらに、炭化物と石炭等を合わせた質量の１４質量％の水分を加えてミキサーで攪拌・混合し、４４ｍｍ角のマセック型の成型体が得られるロール式成型機を用いてブリケットを成型し、成型後に乾燥炉にて１０５℃の温度で、水分がブリケット質量の１質量％以下となるまで乾燥し、転炉昇熱材を製造した。そして、製造後の転炉昇熱材の組成を分析した。
また、従来例として、従来から転炉用昇熱材に用いられている炭化物（石炭、コークス）を原料として粒径を３ｍｍ以下に調整し、成型した転炉昇熱材の組成も調査した。
その結果を表１に示す。
表１において、従来例１は、石炭を原料として成型した転炉昇熱材の組成の一例を示している。また、従来例２は、コークスを原料として成型した転炉昇熱材の組成の一例を示している。コークスを原料とした転炉昇熱材は石炭を原料とした場合（従来例１）と比較して固定炭素が多く昇熱効果が期待できる。
しかし、従来例１及び従来例２は硫黄分が多いため、鉄鋼製品の材料特性面の要求から決定される溶鋼中の硫黄の含有量の上限を超える量を昇熱材として溶鋼中に加えることはできない。
これに対して、本発明例１として、パームヤシ系バイオマスのＰＫＳを窒素雰囲気中で８００℃で１時間炭化して得られた炭化物（ＰＫＳ炭）を原料として成型した転炉昇熱材の組成を示している。
また、本発明例２として、パームヤシ系バイオマスのＰＫＳを窒素雰囲気中で６００℃で１時間炭化して得られた炭化物（ＰＫＳ炭）を原料として成型した転炉昇熱材の組成を示している。
また、本発明例３として、パームヤシ系バイオマスのＥＦＢを窒素雰囲気中で７００℃で１時間炭化して得られた炭化物（ＥＦＢ炭）を原料として成型した転炉昇熱材の組成を示している。
また、本発明例４として、パームヤシ系バイオマスの幹を窒素雰囲気中で６００℃で１時間炭化して得られた炭化物（パーム幹炭）を原料として成型した転炉昇熱材の組成を示している。
また、比較例１として、パームヤシ系バイオマスのＰＫＳを窒素雰囲気中で４００℃で１時間炭化して得られた炭化物（ＰＫＳ炭）を原料として成型した転炉昇熱材の組成を示している。
表１に示すとおり、本発明例１〜４に示す、パームヤシ系バイオマス原料を６００℃以上８００℃以下の温度で炭化して得られた炭化物を原料として成型した転炉昇熱材は、その組成が固定炭素７５質量％以上、揮発分１２質量％以下、硫黄０．１質量％以下となっている。特に、固定炭素の含有量が石炭を原料として成型した転炉昇熱材（従来例１）の固定炭素の含有量と同等以上であり、石炭と同等以上の熱量を発生することが期待できる。また、硫黄分は０．１質量％未満であり石炭およびコークスを原料として成型した転炉昇熱材（従来例１及び従来例２）に比較すると４分の１以下であり、石炭及びコークスを原料として成型した転炉昇熱材（従来例１および従来例２）の代わりに転炉用昇熱材として使用した場合に、４倍に相当する量を加えた場合においても、溶鋼中の硫黄分が上昇する恐れはない。
一方、比較例１に示す、パームヤシ系バイオマス原料を４００℃で炭化して得られた炭化物を原料として成型した転炉昇熱材は、固定炭素の含有量が６８．１質量％であり、石炭よりも劣るため、同等の熱量を得るためには、石炭よりも多量に加える必要がある。
さらに、本発明例１１として、パームヤシ系バイオマスのＰＫＳを窒素雰囲気中で８００℃で１時間炭化して得られた炭化物と石炭を原料とし、その配合率を９０：１０として成型した転炉昇熱材の組成を示している。
また、本発明例１２として、パームヤシ系バイオマスのＰＫＳを窒素雰囲気中で８００℃で１時間炭化して得られた炭化物と石炭を原料とし、その配合率を８５：１５として成型した転炉昇熱材の組成を示している。
また、本発明例１３として、パームヤシ系バイオマスのＰＫＳを窒素雰囲気中で８００℃で１時間炭化して得られた炭化物とコークスを原料とし、その配合率を８５：１５として成型した転炉昇熱材の組成を示している。
また、比較例１１として、パームヤシ系バイオマスのＰＫＳを窒素雰囲気中で８００℃で１時間炭化して得られた炭化物と石炭を原料とし、その配合率を５０：５０として成型した転炉昇熱材の組成を示している。
表１に示すとおり、本発明例１１〜１３に示す、パームヤシ系バイオマスのＰＫＳを窒素雰囲気中で８００℃で１時間炭化して得られた炭化物と石炭またはコークスを原料とし、植物系バイオマスを炭化して製造した炭化物の配合率を８０質量％以上として成型した転炉昇熱材は、その組成が固定炭素７５質量％以上、揮発分１２質量％以下、硫黄０．１質量％以下となっている。特に、固定炭素の含有量が、石炭を原料として成型した転炉昇熱材（従来例１）の固定炭素の含有量と同等以上であり、石炭と同等以上の熱量を発生することが期待できる。また、硫黄分は０．１質量％以下であり、石炭およびコークスを原料として成型した転炉昇熱材（従来例１および従来例２）に比較すると４分の１以下であり、石炭およびコークスを原料として成型した転炉昇熱材（従来例１および従来例２）の代わりに転炉昇熱材として使用した場合に、４倍に相当する量を加えた場合においても、溶鋼中の硫黄分が上昇する恐れはない。
一方、比較例１１に示す、パームヤシ系バイオマスのＰＫＳを窒素雰囲気中で８００℃で１時間炭化して得られた炭化物と石炭を原料とし、その配合率を５０：５０として成型した転炉昇熱材は、硫黄分が０．２質量％含まれており、本発明例１１および本発明例１２と比較すると、溶鋼中の硫黄分の上昇を同等に止めるためには、昇熱材として使用可能な量が半減する。また、本発明例１１と比較すると、同等の量を使用した場合に削減できる化石資源由来のＣＯ２発生量が５分の１に止まる。
なお、パームヤシ系バイオマス原料を８００℃以上の温度で炭化しても、固定炭素の高い炭化物を得ることができるが、炭化炉の温度維持のためのエネルギーが多く必要となり、一定量の炭化物製造に必要なエネルギー効率が低下することが考えられる。
また、パームヤシ系バイオマスのＥＦＢを炭化物の原料とした場合には、原料のＥＦＢのＫの含有量が高いため、ＥＦＢ炭化物のＫ含有量が高くなる。これは、炭化前のＥＦＢ原料の水洗、あるいは炭化後のＥＦＢ炭化物の水洗により０．１質量％以下に抑制することが可能であることを確認している。
乾燥後のブリケットは保管中に吸湿して、水分が１〜３質量％となる場合があるが、特に使用上の問題はない。しかし、雨ざらしになるなどして水分含有量が著しく増加した場合には、使用時に水の顕熱及び潜熱に奪われる熱量が増加し、またブリケットの強度が低下するため保管には倉庫や屋根のあるヤードが望ましい。
次に、本発明例２に示すＰＫＳの炭化物を原料として成型した転炉昇熱材（乾燥後のブリケット）を用いて、圧潰強度を調査した。
その際に、本発明例２に示す転炉昇熱材に使用したＰＫＳの炭化物は、粒径を調整する前の時点では、肉眼で観察したところ、粒径が約１ｍｍから約１０ｍｍ以下の炭化物の混合物であった。
その結果を表２に示す。
表２において、本発明例５では、ロール式成型機２０による成型の前処理として、炭化物をスクリーンサイズ３ｍｍの篩を通過する粒径に調整した。このとき、メジアン粒径Ｄ５０は２．３４ｍｍであった。そして、上記のＰＫＳの炭化物の質量の４質量％に相当する澱粉（アルファー化処理されたもの）をバインダーとして添加し、１４質量％に相当する水を加えた混合物をミキサーで攪拌し、図３に示したロール式成型機を使用し、ロール間の線圧を２ｔｆ／ｃｍとして、４４ｍｍ角マセック型のロールを使用してブリケットに成型した。成型後のブリケットを雰囲気温度１０５℃の恒温槽に入れ、恒量となるまで乾燥した。
乾燥後のブリケット１０個について圧潰強度を測定し、平均値を求めたところ８０ｋｇｆ／個であった。前述したように、圧潰強度が５０ｋｇｆ／個程度あれば、実操業上でのハンドリングが可能となることが経験的にわかっており、本発明例５に示すブリケットは使用に耐える十分な圧潰強度を持つと判断できる。
また、本発明例６では、ロール式成型機２０による成型の前処理として、ＰＫＳの炭化物をカッターミルにて破砕し、スクリーンサイズ３ｍｍの篩を通過する粒径に調整した。このとき、メジアン粒径Ｄ５０は１．５６ｍｍであった。上記のＰＫＳの炭化物１００質量％に対して本発明例５と同様のバインダーと水を加えた混合物とし、本発明例５と同様の手順によってブリケットを成型・乾燥して、その圧潰強度を求めたところ、１１６ｋｇ／個であった。ブリケットの強度が上がると、ブリケット同士の衝突による粉化が抑制され、ハンドリング中の発塵が低下し、作業環境が向上することが経験的に知られている。ただし、カッターミルによる破砕によって一工程増加することは、ブリケットコストの上昇につながるため、必要に応じてその採用の要否を決定すればよい。また、バインダーの添加量を、上記のＰＫＳの炭化物の質量の６質量％に相当する澱粉（アルファー化処理されたもの）をバインダーとして添加した場合のブリケットの成型・乾燥後の圧潰強度は最大で１８０ｋｇ／個であった。ただし、バインダー添加量の増加は、ブリケットコストの上昇につながり、圧潰強度は１１６ｋｇ／個を確保すれば、ブリケットの破壊などのハンドリング中の問題は生じないため必要に応じてバインダーの添加量を決定すればよい。
一方、本発明例７では、ロール式成型機２０による成型の前処理としてのスクリーンサイズ３ｍｍの篩を通過する粒径に調整する工程を省略した炭化物（粒径が約１ｍｍから約１０ｍｍ以下の炭化物の混合物）１００質量％に対して本発明例５と同様のバインダーと水を加えた混合物とし、本発明例５と同様の手順によってブリケットを成型・乾燥して、圧潰強度を求めたところ、１６ｋｇｆ／個であった。
このように、炭化物の粒径を３ｍｍ以下に調整しない場合には、炭化物一粒あたりの体積に対してバインダーが付着した接触面積が小さくなり、転炉用昇熱材として好ましい圧潰強度（５０ｋｇｆ／個）が得られなかった。
したがって、本発明例７においては、搬送中にブリケットが破損し、転炉に全量を投入するためには、搬送中に破損したブリケットを回収する余分な工程が必要となるため、本発明例５及び６に示す圧潰強度をもつブリケットのほうが望ましい。
さらに、本発明例１１に示す配合率に調整したＰＫＳの炭化物と石炭を原料として成型した転炉昇熱材（乾燥後のブリケット）を用いて、圧潰強度を調査した。
その際に、本発明例１１に示す転炉昇熱材に使用したＰＫＳの炭化物は、粒径を調整する前の時点では、肉眼で観察したところ、粒径が約１ｍｍから約１０ｍｍ以下の炭化物の混合物であった。
その結果も表２に示す。
表２において、本発明例１１では、ロール式成型機２０による成型の前処理として、ＰＫＳの炭化物と石炭をスクリーンサイズ３ｍｍの篩を通過する粒径に調整した。このとき、メジアン粒径Ｄ５０は２．４７ｍｍであった。そして、上記のＰＫＳの炭化物と石炭の質量の４質量％に相当する澱粉（アルファー化処理されたもの）をバインダーとして添加し、１４質量％に相当する水を加えた混合物をミキサーで攪拌し、図３に示したロール式成型機を使用し、ロール間の線圧を２ｔｆ／ｃｍとして、４４ｍｍ角マセック型のロールを使用してブリケットに成型した。成型後のブリケットを雰囲気温度１０５℃の恒温槽に入れ、恒量となるまで乾燥した。乾燥後のブリケット１０個について圧潰強度を測定し、平均値を求めたところ７８ｋｇｆ／個であった。
また、本発明例１４では、ロール式成型機２０による成型の前処理として、ＰＫＳの炭化物と石炭をカッターミルにて破砕し、スクリーンサイズ３ｍｍの篩を通過する粒径に調整した。このとき、メジアン粒径Ｄ５０は１．４７ｍｍであった。そして、上記のＰＫＳの炭化物と石炭に対して本発明例１１と同様の手順によってブリケットを成型・乾燥した。乾燥後のブリケット１０個について圧潰強度を測定し、平均値を求めたところ、１１２ｋｇ／個であった。
前述したように、圧潰強度が５０ｋｇｆ／個程度あれば、実操業上でのハンドリングが可能となることが経験的にわかっており、本発明例１４に示すブリケットは使用に耐える十分な圧潰強度を持つと判断できる。
また、ブリケットの強度が上がると、ブリケット同士の衝突および破壊による粉化が抑制され、ハンドリング中の発塵が低下し、作業環境が向上することが経験的に知られている。ただし、カッターミルによる破砕によって一工程増加することは、ブリケットコストの上昇につながるため、必要に応じてその採用の要否を決定すればよい。
一方、本発明例１５では、ロール式成型機による成型の前処理としてのスクリーンサイズ３ｍｍの篩を通過する粒径に調整する工程を省略した炭化物（粒径が約１ｍｍから約１０ｍｍ以下の炭化物の混合物）およびスクリーンサイズ３ｍｍの篩を通過した石炭に対して本発明例１３と同様のバインダーと水を加えた混合物とし、本発明例１１と同様の手順によってブリケットを成型・乾燥して、圧潰強度を求めたところ、１９ｋｇｆ／個であった。
このように、ＰＫＳ炭化物の粒径を３ｍｍに調整しない場合には、炭化物一粒あたりの体積に対してバインダーが付着した接触面積が小さくなり、転炉昇熱材として好ましい圧潰強度（５０ｋｇｆ／個）が得られなかった。
したがって、本発明例１５においては、搬送中にブリケットが破損し、転炉に全量を投入するためには、搬送中に破損したブリケットを回収する余分な工程が必要となるため、本発明例１１および１４に示す圧潰強度をもつブリケットのほうが望ましい。
上記の実施例１によって得られた転炉昇熱材を転炉設備に適用した。その結果を実施例２として以下に述べる。
使用した上底吹き型転炉は、転炉容量は１チャージ（ｃｈ）約２５０トンで、底吹きガスは攪拌用としてＡｒガスを用いた。溶銑は機械攪拌式脱硫装置を用い、脱硫処理を施してある。冷鉄源としては、製鉄所で発生する鉄スクラップ（鋳片や鋼板のクロップ屑など）を使用した。
この実施例２における転炉操業条件および代表的な溶銑成分の例を表３に示す。そして、表３に示す操業条件で転炉操業を行った操業結果を表４に示す。
なお、転炉昇熱材の投入量は、固定炭素８５質量％の昇熱材を２５００ｋｇ／ｃｈ投入した場合と同等の固定炭素が投入される量とした。また、本発明の効果を確認するために、装入溶銑温度を１３３０℃の一定の条件とし、さらに、スクラップ量と造滓材装入量も一定の条件とした。
本発明例１１〜１３は、３ｍｍの篩で篩った篩下を原料として成型したブリケットを転炉昇熱材として投入したものであり、表４に示すように、出鋼時の温度は１６１０〜１６３０℃の範囲であるとともに、硫黄濃度上昇量は０．００１質量％であり、問題なく操業することができた。
これに対して、本発明例１４では、出鋼時の温度が１６３０〜１６５０℃となり、本発明例１１〜１３に比べて約２０℃高くなった。これは、ブリケットの圧潰強度が１００ｋｇｆ／個以上と高強度であったことから、転炉に投入した際の飛散による着熱効率の低下が減ったためであり、溶鋼温度が高くなった分、より多くのスクラップを溶解できるので、より好ましい。
また、本発明例１５では、出鋼温度が１５９５〜１６１５℃となり、本発明例１１〜１３に比べて約１５℃低くなった。これは、昇熱材を転炉に装入した際に、搬送過程での割れに加え、装入時の熱衝撃で容易に割れて飛散し、着熱効率が低下したためと考えられる。
なお、本発明例１５では、出鋼時の温度が低目となったが、添加量を増量することで出鋼時の温度１６１０〜１６３０℃の範囲を保つことができる。
一方、比較例１１および従来例１、２の場合には、出鋼時の温度を１６１０〜１６３０℃に保ちつつ、硫黄濃度上昇量を許容量である０．００１質量％以内に抑えることはできなかった。
本発明においては、パームヤシ由来などの植物系バイオマスを原料とした炭化物を製造し、その炭化物を主原料にしてバインダーを加えて成型した、化石資源由来のＣＯ２発生量を削減することが可能で、なおかつ硫黄含有量が低い転炉用昇熱材によって、製鉄所で使用される化石資源を原料とする転炉用昇熱材を代替することにより、化石資源消費量を低減し、温室効果ガスの発生を低減させ、地球温暖化問題の解決に寄与するものである。また、パームオイル産業の収益性の向上、パームヤシ栽培地の環境改善などを通じて、マレーシア、インドネシアを中心とするパームオイル産業国の発展にも寄与するものである。
１ バイオマス原料（植物系バイオマス）
２ 炭化物
２Ａ 原料粉末
３ ブリケット
１０ 炭化装置
１１ 外熱式ロータリーキルン炉
１２ 燃焼炉
１３ 炭化物貯留槽
１４ タール回収槽
１６ 炭化実験装置
１７ 反応管
１８ 加熱炉
２０ ロール式成型機
２１ ロール
２２ 石炭等（石炭または／およびコークス）
２３ 水
２４ バインダー
２５ ミキサー
２６ 攪拌翼
２ 炭化物
２Ａ 原料粉末
３ ブリケット
１０ 炭化装置
１１ 外熱式ロータリーキルン炉
１２ 燃焼炉
１３ 炭化物貯留槽
１４ タール回収槽
１６ 炭化実験装置
１７ 反応管
１８ 加熱炉
２０ ロール式成型機
２１ ロール
２２ 石炭等（石炭または／およびコークス）
２３ 水
２４ バインダー
２５ ミキサー
２６ 攪拌翼
Claims (10)
- 植物系バイオマスを炭化した炭化物と、バインダーとで成型してなる転炉用昇熱材であって、乾燥状態での組成が、固定炭素分７０質量％以上、揮発成分２０質量％以下、硫黄分０．１質量％以下、残部灰分であり、前記炭化物は３ｍｍ以下の粒径を有する、転炉用昇熱材。
- 植物系バイオマスを炭化した炭化物を主原料として、石炭とコークスとからなるグループから選択された少なくとも一つを副原料として混合した混合物と、バインダーとで成型してなる転炉用昇熱材であって、乾燥状態での組成が、固定炭素分７０質量％以上、揮発成分２０質量％以下、硫黄分０．１質量％以下、残部灰分であり、前記炭化物は３ｍｍ以下の粒径を有する、転炉用昇熱材。
- 前記転炉用昇熱材が、５０ｋｇｆ／個以上の圧潰強度を有する、請求項１または２に記載の転炉用昇熱材。
- 前記植物系バイオマスが、パームヤシのやし殻、空果房、幹と剪定屑のグループから選択された少なくとも一つである、請求項１または２に記載の転炉用昇熱材。
- 前記バインダーが、澱粉、カルボキシメチルセルロースとコーンスターチのグループから選択された少なくとも一つである、請求項１または２に記載の転炉用昇熱材。
- 植物系バイオマスを炭化して炭化物を製造し、前記炭化物にバインダーおよび水分を加えて成型する転炉用昇熱材の製造方法であって、水分を除いた乾燥状態での前記転炉用昇熱材の組成が、固定炭素分７０質量％以上、揮発成分２０質量％以下、硫黄分０．１質量％以下、残部灰分であり、前記水分は、前記転炉用昇熱材の乾燥状態での質量の５質量％以下であり、前記炭化物は３ｍｍ以下の粒径を有する、転炉用昇熱材の製造方法。
- 植物系バイオマスを炭化して炭化物を製造し、前記炭化物を主原料として、石炭とコークスとからなるグループから選択された少なくとも一つを副原料として混合した混合物を製造し、前記混合物にバインダーおよび水分を加えて成型する転炉用昇熱材の製造方法であって、水分を除いた乾燥状態での前記転炉用昇熱材の組成が、固定炭素分７０質量％以上、揮発成分２０質量％以下、硫黄分０．１質量％以下、残部灰分であり、前記水分は、前記転炉用昇熱材の乾燥状態での質量の５質量％以下であり、前記炭化物は３ｍｍ以下の粒径を有する、転炉用昇熱材の製造方法。
- 前記転炉用昇熱材が、５０ｋｇｆ／個以上の圧潰強度を有する、請求項６または７に記載の転炉用昇熱材の製造方法。
- 前記植物系バイオマスが、パームヤシのやし殻、空果房、幹と剪定屑のグループから選択された少なくとも一つである、請求項６または７に記載の転炉用昇熱材の製造方法。
- 前記バインダーが、澱粉、カルボキシメチルセルロースとコーンスターチのグループから選択された少なくとも一つである、請求項６または７に記載の転炉用昇熱材の製造方法。
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