JP5929489B2 - アブラ椰子核殻炭の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、アブラ椰子核殻を回転キルンによって炭化処理し、低揮発性であって、しかも燃焼性の良好な固体炭化物であるアブラ椰子核殻炭を製造する方法、特に、高炉や焼結機などで、製鉄用の炭材として利用することができるアブラ椰子核殻炭の製造方法に関する。
地球温暖化ガスとしての炭酸ガスの発生を抑制するために、バイオマスやバイオマスを炭化・乾留した炭化物であるバイオマス炭の使用が注目されている。バイオマスはエネルギー源としての生物体であり、特に、植物バイオマスは、燃焼させるなどしてエネルギー源として消費すると分解して炭酸ガスに戻るが、太陽光によって炭酸ガスと水を光合成して成長し、短期間の循環サイクルを形成する。そのため、植物バイオマスは、地下資源エネルギーである石炭や石油などとは異なり、「カーボンニュートラル」材と称され、エネルギー源としての消費により炭酸ガスに戻っても炭酸ガス発生量には関与しないと考えられている。
バイオマスの一種であるアブラ椰子は、油の採取を目的として、主に赤道直下でプランテーション栽培がなされている。アブラ椰子の実は、油分の多い果実であるが、中心には核とよばれる硬い種子が存在する。この核の外側は堅く緻密な殻で覆われている。採油に際しては、アブラ椰子の実を粉砕して、油分、油カス、核殻に分離する。油分は食糧や燃料エネルギーとして利用されるが、アブラ椰子核殻(Palm Kernel Shell:以下、「PKS」ともいう)は副産物で、メジアン粒径が8mm程度の粒状破片である。
表1にPKSの主要成分および発熱量を例示する。
PKSは主に暖房用などの燃料として使用されるが、最近は、直接燃焼させ、またはガス化して燃焼させることにより発電するバイオマス発電の原料としても使用されている。
さらに、アブラ椰子核殻(PKS)を炭化・乾留して得られる炭化物(アブラ椰子核殻炭:この炭化物を、以下「PKS炭」ともいう)は、活性炭として化学吸着材などに使用されているが、一方で、冶金用コークス等の代替としての利用技術の開発も進められている。製鉄所の焼結機や高炉では、炭材として多量の石炭やコークスを使用するため多量の炭酸ガスを排出しており、この炭酸ガス排出量の削減が要請されているが、カーボンニュートラル材であるアブラ椰子核殻(PKS)の炭化物(PKS炭)を焼結機や高炉で炭材として利用することができれば、炭酸ガス排出量の削減に寄与できるからである。
例えば、特許文献1には、焼結工程において、炭材として使用するコークスの一部を硫黄分や窒素分の少ないバイオマス炭化物により代替し、コークス燃焼時に発生するNOX、SOXを低減する技術が開示されている。しかしながら、バイオマス炭化物を多量に配合すると焼結性が悪化するという問題も提起されている。特許文献1では、使用したバイオマス炭化物の化学組成および水分比率が開示されているのみであるが、良好な焼結性を確保するためには、バイオマス炭化物の性状が重要であり、原料となるバイオマスを含めて、バイオマス炭化物の種類を適切に選択する必要があると考えられる。
特許文献2には、回転キルンにより粉砕性指数(HGI)が45以上の性状を有するバイオマス炭を製造し、微粉炭の代替として高炉吹き込み用原料に使用し、炭酸ガス排出量を低減する技術が開示されている。しかし、ヤシの殻のような硬質なものから製造した炭化物は、HGIが35と低く粉砕性が悪く、さらに、高炉吹き込み用原料として使用するには燃焼性の改善が必要と考えられる。
また、特許文献3には、ヤシガラ(PKS)を内燃式の回転キルンにより炭化・乾留処理し、PKS炭を製造する方法および装置が開示されている。しかし、特許文献3に記載される方法では回転キルン内におけるPKSの流れと乾留ガスの流れが逆方向の向流タイプの回転キルンを用いており、後述するように、炭化・乾留処理中における固定炭素の焼損防止、さらには揮発分の除去が十分ではない。
特開2003−328044号公報 特開2011−117075号公報 特許4567100号公報
上述したように、焼結機や高炉では炭材として多量の石炭やコークスを使用するため炭酸ガスの排出量がきわめて大きい。この炭酸ガス排出量を削減するためには、バイオマスを炭化したバイオマス炭の使用が有効であり、石炭やコークスの代替として利用する技術開発が行われてきた。しかし、前掲の特許文献1〜3に記載される技術においては、焼結機の炭材としての多量配合時における焼結性の悪化(特許文献1)、PKS炭の高炉吹き込み用原料としての使用時における低粉砕性および燃焼性の改善(特許文献2)、PKS炭の回転キルンによる製造条件の改善(特許文献3)等、種々の課題がある。
さらに、PKS炭のようなバイオマス炭を製鉄所の焼結機や高炉で炭材として使用する場合、一般に、バイオマス炭は補完的な炭材として使用されることとなるが、焼結機と高炉のそれぞれにおいて適切な炭材を選択することとすれば、焼結機では揮発分の低い炭材が必要とされ、高炉では燃焼性の良好な炭材が特に望まれるため、製鉄所全体ではそれら炭材の調達や製造が煩雑になる。一方、この問題を回避するために一種類のバイオマス炭を使用することとすれば、焼結機で使用するという前提から揮発分の低い炭材が必要とされるので、揮発分が低くかつ燃焼性がよい炭材の選択が難しくなるという問題が生じる。揮発分が高い炭材は着火しやすいので一般的に燃焼性がよいが、揮発分の低い炭材はその逆の傾向を示すからである。
本発明はこのような実状に鑑みてなされたもので、バイオマスとしてアブラ椰子核殻(PKS)を使用し、この椰子核殻を回転キルンによって炭化・乾留処理し、低揮発性であって、しかも燃焼性の良好なアブラ椰子核殻炭(PKS炭)を製造する方法、特に、高炉や焼結機などで、製鉄用の炭材として利用することができる揮発分が低くかつ燃焼性がよいPKS炭の製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明者らは、高炉および焼結機で一種類のバイオマス炭を使用することを前提として、低揮発性であって、しかも燃焼性が良好なバイオマス炭を得ることができるバイオマス原料について調査した。
バイオマス炭を焼結機で炭材として使用する場合、発熱源である炭材の燃焼性が良好であれば、より速く焼結させることができ、焼結機の生産性が向上する。しかし、焼結プロセスでは昇温が急速であるため、炭材の揮発分が10質量%を超えると、燃焼前に揮発成分が未燃焼のままで排ガスに含有されることとなり、操業に支障を来す。従って、焼結用炭材としては揮発分が10質量%以下で燃焼性が良好なものが望まれる。
一方、バイオマス炭を高炉吹き込み用の炭材として使用する場合、バイオマス炭を微粉とし、羽口から空気と微粉炭材とを吹き込み、高温燃焼させて還元に必要なガスを生成させる。この時、羽口から吹き込まれる炭材の燃焼性が良好であれば、還元ガス生成効率が良好となり、高炉の生産性が向上する。
高炉および焼結機の生産性向上のためには、上述したように炭材の燃焼性が良好であることが重要である。炭材の燃焼性を決定する因子として、炭材の着火温度、揮発分およびミクロな比表面積(表面の微細な亀裂や細孔を考慮した比表面積)などが考えられる。揮発分が高い炭材は着火しやすいので一般的に燃焼性がよいが、焼結用炭材では設備上の制約から揮発分を低くする必要がある。そのため、着火温度を低下させるか、または比表面積を大きくしなければ、燃焼性は良好とはならない。
本発明者らは、このような条件(揮発分が低く、燃焼性が良好)を満たす炭材の原料となるバイオマスのサイズとしては、粒径10mm程度の粒状のものが適切であると考えた。大き過ぎると揮発成分の除去に時間を要して炭材製造の生産性が悪くなり、また、微粉サイズまで粉砕処理をすると、直接ガス加熱により高温炭化処理をした場合に、燃焼ガスにより吹き飛ばされるという現象が起こり、炭化・乾留処理が困難となるからである。さらに、高温炭化処理をして得られる固体炭化物の性状としては、揮発成分が10質量%以下で、比表面積が大きく、着火温度の低いこと(すなわち、燃焼性が良好であること)が望ましい。
検討の結果、これらの条件を満たすものとして、アブラ椰子核殻(PKS)が最適であるとの結論に達し、本発明においては、バイオマス原料としてPKSを用いることとした。前述のように、PKSは、アブラ椰子の実を粉砕して油を採取する過程で粒径(メジアン粒径)が8mm程度の粒状破片となり、さらに、高温炭化処理をすることにより、低揮発性であって、しかも燃焼性の良好なバイオマス炭を得ることができるからである。
一般にバイオマスの炭化・乾留処理方法としては、生産性が良好であるという観点から連続式回転キルンが活用されている。回転キルンは、メジアン粒径が8mm程度の粒状破片となった前記アブラ椰子核殻(PKS)の加熱処理にも適している。
回転キルンの加熱方式としては、被処理固体と加熱用ガスを分離した外熱式と、キルン内に可燃ガスおよび空気を送通して燃焼させる内燃式に分かれる。PKSには、他のバイオマスと異なり、0.5質量%程度の油分が存在しており、外熱式の回転キルンでPKSを炭化・乾留処理した場合には、この油分が低温で揮発しトラブルを引き起こしやすい。また、外熱式の場合には、処理温度が低く、揮発成分が十分に除去されないという問題がある。
一方、内燃式の回転キルンで炭化・乾留処理した場合には、PKSに含まれる油分が着火を助け、燃焼を良好に行えるという利点がある。高温での加熱が行えるので、PKS中の揮発成分のよりすみやかな除去が可能となる。また、空気による賦活作用や急速に加熱されることにより、PKS炭表面に亀裂をはじめ多くの微細孔が発生して、PKS炭のミクロな比表面積も大きくなるという利点がある。
そこで、本発明においては、バイオマス(ここでは、PKS)の炭化処理方法として、内燃式の回転キルンを用いることとした。
本発明者らは、このような前提の下でPKS炭の製造実験を行い、低揮発性であって、しかも燃焼性の良好なPKS炭の製造方法を確立することができた。なお、以下において、アブラ椰子核殻(PKS)およびアブラ椰子核殻炭(PKS炭)に含まれる各成分の含有量をあらわす「%」は「質量%」を意味する。
本発明は、下記のアブラ椰子核殻炭の製造方法を要旨とする。
すなわち、内燃式回転キルンを用いてアブラ椰子核殻(PKS)を炭化・乾留処理してアブラ椰子核殻炭(PKS炭)を製造する方法であって、回転キルンの点火バーナー側の端部から、水分5%以下のアブラ椰子核殻を投入し、点火バーナー用の空気を含めて、前記投入アブラ椰子核殻に対する質量比で0.5〜1.6倍量の空気を回転キルン内に供給することにより当該アブラ椰子核殻を炭化・乾留処理し、回転キルンの点火バーナー側とは反対側の端部から炭化物と乾留ガスを排出させることを特徴とするアブラ椰子核殻炭の製造方法である。
前記の「炭化・乾留処理」とは、空気の送通量を所定範囲内に制限した状態で有機物物質(ここでは、アブラ椰子核殻)を加熱分解して炭化物にする処理をいう。炭化物を得るという点では、石炭などを空気を遮断して加熱分解するいわゆる「乾留」との本質的な違いはないが、回転キルンを用いるという操業方法上の違いを考慮して、ここでは「炭化・乾留処理」と記す。また、「炭化・乾留処理」による生成物については、固体は炭化物、気体は乾留ガスと記す。
前記の「点火バーナー用の空気」とは、点火バーナーに供給する燃料ガスの燃焼に使用される空気をいう。
また、「水分」とは、含水物(ここでは、アブラ椰子核殻)の質量(すなわち、水+乾燥状態でのアブラ椰子核殻)に占める水の質量を百分率で表示した含水率である。
本発明のアブラ椰子核殻炭の製造方法において、前記水分5%以下のアブラ椰子核殻として、水分15%以上のアブラ椰子核殻を、乾燥用の回転キルンを用いて、水分5%以下まで乾燥処理を行うことにより得られたアブラ椰子核殻を用いることとする実施の形態(実施形態1)を採ることができる。
本発明のアブラ椰子核殻炭の製造方法(実施形態1を含む)において、前記炭化・乾留用の回転キルンから排出される乾留ガスをアブラ椰子核殻の乾燥に活用することとする実施の形態(実施形態2)を採ることが望ましい。
本発明のアブラ椰子核殻炭の製造方法(実施形態2の方法を指す)において、水分15%以上のアブラ椰子核殻と炭化・乾留用の回転キルンの排出乾留ガスを、前記乾燥用の回転キルンの同一端部から投入し、反対側の端部から排出することとする実施の形態(実施形態3)を採ることが望ましい。
本発明のアブラ椰子核殻炭の製造方法(実施形態1を含む)において、炭化・乾留用の回転キルン内におけるアブラ椰子核殻の平均滞留時間を15分以内とする実施の形態(実施形態4)を採ることが望ましい。
本発明のアブラ椰子核殻炭の製造方法によれば、揮発分が10%以下の低揮発性であって、しかも燃焼性の良好な固体炭化物であるアブラ椰子核殻炭(PKS炭)を製造することができる。このPKS炭は、製鉄所の焼結機や高炉においてコークスや石炭の代替として使用することが可能であり、炭酸ガス排出量の削減に寄与することができる。
本発明のPKS炭の製造方法の実施に使用される装置の概略構成例を模式的に示す図である。 本発明の製造方法により得られたPKS炭を焼結機で使用する場合の原料フローを例示する図である。 本発明の製造方法により得られたPKS炭を高炉で使用する場合の原料フローを例示する図である。 PKSの炭化実験で用いた装置の概略構成を示す図で、(a)は並流型の回転キルンを備える場合、(b)は向流型の回転キルンを備える場合である。
本発明のアブラ椰子核殻炭の製造方法は、前述のように、内燃式回転キルンを用いてアブラ椰子核殻(PKS)を炭化・乾留処理し、アブラ椰子核殻炭(PKS炭)を製造することを前提としている。
回転キルンは、ロータリーキルンとも称される周知の化学装置で、本体は中空円筒状であり、水平に対してわずかに傾斜して配置される。上方となる一端に処理される固体の投入口があり、投入された固体は、回転する傾斜円筒の中を上方から下方へ移動する。処理される固体の性状(粒度分布、表面形状、密度等)や操業条件(温度、滞留時間等)を考慮して、設備設計(サイズや傾斜角度)や操業設計(回転数等)が行われる。
本発明で使用する回転キルンは、キルン内で可燃ガスを燃焼させる内燃式回転キルンである。
図1は、本発明のPKS炭の製造方法の実施に使用される装置の概略構成例を模式的に示す図である。同図には、乾燥用の回転キルンを用いて原料PKSを乾燥させる本発明の望ましい形態である実施形態3の実施に好適なフローを示している。
本発明のPKS炭の製造方法を実施するには、図1に示すように、まず、炭化・乾留用の回転キルン(炭化・乾留炉)1の点火バーナー2が取り付けられた側の端部の投入口から、水分5%以下のアブラ椰子核殻(PKS)3を回転キルン1内に投入する(投入側がキルンの上方となる)。同時に点火バーナー2によりPKS3を着火させ、点火バーナー2で使用する空気量も含めてPKS投入質量の0.5〜1.6倍量の空気を供給することによってPKS3を部分的に燃焼させ、最高温度が700〜1000℃程度となるように操業条件(温度、滞留時間等)をコントロールして炭化・乾留処理を行う。当該PKS3は、回転する傾斜円筒状のキルン1内を上方から下方へと移動する間に炭化・乾留処理され、回転キルン1の点火バーナー側とは反対側の端部から炭化物(PKS炭4)として、乾留ガス5とともに排出される。
回転キルン1から排出される乾留ガスは、ガス清浄冷却装置6を経て、乾留ガスホルダー7に送られる。図1に示したように、本発明のPKS炭の製造方法の実施に使用される装置が乾燥用の回転キルン8を備えている場合には、乾留ガス5は、PKS供給ホッパー9から切り出され、乾燥用の回転キルン8内に投入されるPKS3の乾燥に使用された後に、ガス清浄冷却装置6を経て、乾留ガスホルダー7に送られる。
本発明のPKS炭の製造方法において、炭化・乾留用の回転キルン内のPKSとキルン内に供給する空気の流れが同一方向である並流型の処理を採用したのは、キルン内のPKSと空気の流れが逆方向となる向流型の処理の場合、回転キルンから排出される乾留ガスがキルン内に投入されるPKSを投入側に押し戻すように作用するため、処理される固体が回転キルン内で滞留する傾向があり、局所的に被処理固体による断面占有率が上昇する等の現象が発生するからである。
この現象は、PKSのようなバイオマス原料においては、被処理固体が軽量であると同時に、多量の乾留ガスを発生させ空塔ガス流速が高くなるので、より顕著にあらわれる。その結果、内燃式回転キルンで向流型の処理をすると、残留揮発分量や燃焼性が均一とならずに斑ができ易く、並流型の処理に比べてPKS炭の性状が劣る傾向がある。すなわち、本発明の製造方法で採用する並流型の処理の方が、後述する実施例に示すように、向流型の処理を行った場合に比べて、PKSにおける揮発成分の除去が良好で、微細孔が発生し易くなり、PKS炭の比表面積が大きくなって燃焼性が良好となる。
本発明のPKS炭の製造方法において、回転キルン内に供給する空気量を、点火バーナーで使用する空気量も含めてPKS投入質量の0.5〜1.6倍量の範囲内とするのは、空気量が0.5倍量未満であると、燃焼発熱量が少なすぎてキルン内の最高温度が700℃に達しないため、成品であるPKS炭に残留する揮発分が多く、空気量が1.6倍量を超えるとPKS炭そのものが燃焼してしまい、PKS炭の灰分が高くなり過ぎるからである。望ましい供給空気量は、PKSの供給量と等質量程度である。
なお、点火バーナーに用いる燃料ガスとしては、炭酸ガス排出量抑制の観点から、回転キルンから発生する乾留ガスを活用することが望ましい。この乾留ガスは、カーボンニュートラル材であるPKSに由来するものであり、PKSがエネルギー源として消費されて炭酸ガスに戻っても炭酸ガスの排出量には関与しないとされているからである。
キルン内に空気を供給する部位については、一つは燃料ガスを燃焼させるための点火バーナーであるが、その他は特に限定されない。前記の図1では、PKSの投入側端部から空気を供給しているが、必ずしもこの部位に限るものでなく、例えば、回転キルン壁の数か所に空気の供給口を設け、それら供給口から少量ずつ加圧空気を吹き込むこととしてもよい。要は、PKSおよび乾留ガスの流れ方向が同一方向で、点火バーナー側とは反対側の端部から両者共に排出されることである。
本発明のPKS炭の製造方法において、回転キルンに投入される原料PKSの水分を5.0%以下とするのは以下の理由による。すなわち、内燃式回転キルン内では、前述したようにPKS発生ガスと燃焼用空気が存在し、非常に高いガス空塔流速となっている。そのため、並流型回転キルンであってPKS炭の性状に斑(不均一)が生じないとしても、被処理固体が下流に吹き飛ばされ流される傾向があるので、乾留ガス量を低く抑える必要がある。そこで、PKSから発生する水蒸気を極力抑制するために、PKSの水分を5%以下とする。もちろん、本発明で使用する並流型回転キルンにあっては、点火バーナーによるPKSへの着火が重要であり、原料PKSが高い水分を有すると着火性が悪くなってPKS炭の生産効率が悪化するのでそれを回避するためでもある。PKSの着火性が良好となれば、バーナー用空気量やPKSを部分的に燃焼させるための空気量をさらに低減することができる。
本発明の製造方法で炭化・乾留処理されたPKS炭は、回転キルンの点火バーナー側とは反対側の端部からPKS炭として排出され、冷却される。冷却されたPKS炭は焼結機や高炉に移送される。PKS炭は揮発分が低く、燃焼性の高い炭材なので、高炉および焼結機において、その生産性を向上させることができる。
前記の実施形態1のPKS炭の製造方法は、上述した本発明のPKS炭の製造方法において、水分5%以下のPKSとして、水分15%以上のPKSを、乾燥用の回転キルン(乾燥炉)を用いて、水分5%以下まで乾燥処理を行うことにより得られたPKSを用いる方法である。
PKSの乾燥に回転キルンを用いるのは、PKSが粒状の固体であることから、回転キルンを用いることにより乾燥を効率的に行えるからである。乾燥に用いる熱源について特に規定はないが、次に述べる炭化・乾留用の回転キルンから排出される乾留ガスを利用することが望ましい。
水分15%以上のPKSを乾燥処理の対象とするのは、一般にPKSは低水分状態では自然発火の可能性を有するという問題があり、通常15%以上の水分を有する状態で輸送されているからである。
前記の実施形態2のPKS炭の製造方法は、前述の本発明のPKS炭の製造方法で使用する炭化・乾留用の回転キルンから排出される乾留ガスを、原料PKSの乾燥に活用する方法である。炭化・乾留用の並流型回転キルンでは、向流型回転キルンとは異なり、700〜900℃の高温の乾留ガスが排出されるので、この高温顕熱を利用するのである。
高温顕熱の利用の仕方は、特に限定されないが、実施形態1で使用する乾燥用の回転キルンを用いることが望ましい。乾燥用の回転キルンの通ガス方式としては、炭化・乾留用の回転キルンにおけると同様に、処理される固体と高温ガスを分離した外熱交換式、キルン内に被処理固体の流れと逆方向になるように高温ガスを供給する向流型内熱交換式、および同方向になるように高温ガスを供給する並流型内熱交換式が考えられるが、より熱交換速度の速い並流型内熱交換式の回転キルンを用いることが、高い生産性が得られるので望ましい。
しかし、この場合、炭化・乾留用の回転キルンから排出される乾留ガスは高温なので、水分が15%に満たない原料PKSを乾燥しようとすると、乾燥用の回転キルン内で着火する危険性がある。そのため、供給する乾留ガスを冷却しなければならず、熱効率的には悪化することになる。従って、乾燥用の回転キルンを用いる場合は、水分15%以上の原料PKSを対象とすることが望ましい。
前記の実施形態3のPKS炭の製造方法は、上述した本発明のPKS炭の製造方法において、水分15%以上のPKSと炭化・乾留用回転キルンの排出乾留ガスを、乾燥用回転キルンの同一端部から投入し、反対側の端部から排出する方法である。
前記図1に例示した装置は、この実施形態3の実施に使用する装置である。図1に示すように、PKS供給ホッパー9から水分15%以上のPKS3を切り出し、乾燥用の回転キルン(乾燥炉)8に投入して、同一端部から投入した乾留ガス5により乾燥させる。この実施形態3の方法は、炭化・乾留用の回転キルン1の排出乾留ガス5を、回転キルン8を利用して効率よく乾燥し、PKS炭を製造することができる本発明の望ましい実施の形態である。
水分15%以上の原料PKSを対象とするのは、後述するように、水分が15%に満たない場合は、高温の乾留ガスによる着火を防止するためにガス温度を低下させなければならず、熱効率的に悪化する上に、乾燥を十分に行えないからである。また、PKSと乾留ガスをキルンの同一端部から供給するのは、同じく着火が起こるので、ガス温度を低下させなければならないからである。
前記の実施形態4のPKS炭の製造方法は、上述した本発明のPKS炭の製造方法において、炭化・乾留用の回転キルン内におけるPKSの平均滞留時間を15分以内とする方法である。
回転キルン内におけるPKSの平均滞留時間を15分以内とするのは、内燃式並流型回転キルンによる炭化・乾留においては、PKSの部分的な燃焼、昇温が極めて良好なので、回転キルン内の滞留時間が長すぎ、15分を超えると、PKS炭の灰分が上昇する傾向があるからである。滞留時間の調整は、キルンの回転速度や傾斜勾配を調整することにより行う。
以上述べた本発明のPKS炭の製造方法(実施形態1〜4を含む)によれば、製鉄用の炭材として利用することができる揮発分が低くかつ燃焼性がよいPKS炭を製造することができる。
図2は、本発明の製造方法により得られたPKS炭を焼結機で使用する場合の原料フローを例示する図である。図2に示すように、焼結機では、粉状鉄鉱石10に溶材11(石灰石粉)、返鉱12および炭材としての粉コークス13a、無煙炭13bを添加して混合・造粒14した後、当該造粒物によって約60cm厚さの充填層である焼結ベッド15を形成させる。次いで、焼結ベッド15表面から点火し、空気を下方へ吸引することにより焼結化反応を行わせて塊状焼結鉱16とし、粉状鉄鉱石10等の粉状原料を塊成化するのであるが、本発明の製造方法により得られたPKS炭は炭材(PKS炭13c)として使用される。
図3は、本発明の製造方法により得られたPKS炭を高炉で使用する場合の原料フローを例示する図である。図3に示すように、高炉では、炉頂部から塊状の焼結鉱等の鉄鉱石類17と塊コークス18を装入するとともに、炉下部羽口から空気19と微粉炭材としての石炭20bを吹き込み、高温燃焼させて還元に必要なガスを生成させる。本発明の製造方法により得られたPKS炭は炭材(PKS炭20a)として使用される。
本発明の製造方法により得られるPKS炭は、低揮発性であって、しかも燃焼性が良好なので、上記のように、製鉄所の焼結機や高炉においてコークスや石炭の代替として使用することが可能であり、炭酸ガス排出量の削減に寄与することができる。
表2に示す設備仕様を有する回転キルンを用いてPKSの炭化・乾留実験を実施し、PKS炭と乾留ガスを採取して確認評価を行った。基本操業条件を表2に併せて示す。表2において、回転キルンの「傾斜勾配」は、水平に対してわずかに傾斜させて配置した回転キルンの下方側(被処理固体の排出側)端面における軸心位置と上方側(被処理固体の投入側)端面における軸心位置間の垂直距離を当該両位置間の水平距離で除した数値で示している。また、点火バーナーに供給するLPG量は毎分当たりの供給熱量に換算して表示した。
図4は、PKSの炭化・乾留実験で用いた装置の概略構成を示す図で、(a)はPKS原料と乾留ガスの流れが同一方向となる並流型の回転キルンを備える場合、(b)はPKS原料と乾留ガスの流れが逆方向となる向流型の回転キルンを備える場合である。図4において、白抜き矢印は乾留ガスの流れを表す。
図4(a)に示した並流型の回転キルンを用いる方法では、PKS3を供給ホッパー9に入れ、スクリューフィーダーにより切り出し、回転キルン8の上方側端部からキルン内に投入する。回転キルン8は上方側から下方側に向けて下り傾斜勾配が付けられており、原料PKS3はキルン8の回転にともなって下方側に移動する。また、PKS投入側(上方側)端部には、点火用のバーナー2が設置されており、このバーナー2によって投入されたPKS3は着火が始まる。さらに、同端部には燃焼用空気を送る管が設けられており、下方側に向けて空気が供給される。
回転キルン8内では、着火したPKSはゆるやかな回転運動が与えられ、供給された空気によって部分的に燃焼する。燃焼に伴う発熱によりPKSは炭化・乾留され、熱分解にともなって揮発ガスが生成する。揮発したガスの一部は供給空気により燃焼し発熱する。部分燃焼したガスは下方側に向かって流れ、炭化・乾留処理されたPKS炭4とともに排出される。排出された乾留ガスは、ガス清浄冷却装置6によりダストおよびタールが除かれ、流量計21で流量測定された後、燃焼装置22で処理される。必要に応じて、組成分析計23で組成分析を行う。
図4(b)に示した向流型の回転キルンを用いる方法では、供給ホッパー9から切り出されたPKS3が、点火バーナー2および空気投入口が設置されている側とは反対側(こちら側がキルンの上方側になる)からキルン内に投入され、下方側に移動する。回転キルン8内で炭化・乾留処理されたPKS炭4はバーナー2および空気供給管の設置側から排出される。一方、上方側から排出された乾留ガスは、図4(a)に示した並流型の回転キルンを用いた場合と同様に、ガス清浄冷却装置6で処理され、所定の測定および分析が行われ、最終的には燃焼装置22で処理される。
表3に、PKS炭化・乾留実験の実験条件および実験結果を纏めて示す。
表3において、実験No.1〜No.4では、原料PKS供給量および空気供給量を一定として、図4(a)に示した並流型の回転キルンを用いる方法で炭化・乾留実験を行い、得られたPKS炭の性状を評価した。また、実験No.5では、図4(b)の向流型の回転キルンを用いる方法で同様の炭化・乾留実験を行い、PKS炭の性状を比較した。
さらに、実験No.6およびNo.7では、並流型の回転キルンを用いる方法で、PKS炭の重要な性状である揮発分が10%以下のものを製造するという前提のもとに、PKS供給量を回転キルンの回転速度と供給空気量で調整して、PKSの滞留時間を延長した炭化・乾留実験を行い、得られたPKS炭の性状を評価した。
表4に、図4(a)に示した並流型の回転キルンを用いる方法、および図4(b)に示した向流型の回転キルンを用いる方法により、それぞれ空気供給量とPKS供給量が等量の条件で炭化・乾留処理をして製造したPKS炭と乾留ガスについての性状および回収量を対比して示す。並流型キルンを用いる方法の欄の測定値は表3の実験No.1のケースに、また、向流型キルンを用いる方法の欄の測定値は表3の実験No.5のケースにそれぞれ対応する。
PKS炭の回収率{(PKS炭の回収量/原料PKS供給量)×100}は、並流型キルンを用いる方法および向流型キルンを用いる方法のいずれにおいても29%程度であった。また、除湿後の乾留ガス回収量(乾留ガス中のH2O成分は冷却過程で除去される)は、並流型キルンを用いる方法および向流型キルンを用いる方法のいずれにおいても、原料PKS供給量に対してほぼ1.5倍であった。
回収された乾留ガスはCH4、H2、COの各成分を含み、真発熱量は、並流型キルンを用いる方法および向流型キルンを用いる方法でそれぞれ7420kJ/dry−Nm3、7083kJ/dry−Nm3であり、並流型の回転キルンを用いる方法の方が、発熱量の高い乾留ガスを得ることができた。
さらに、PKS炭の比表面積についても、並流型キルンを用いる方法および向流型キルンを用いる方法でそれぞれ225m2/gおよび83m2/gであり、PKS炭の固定炭素についても、それぞれ87%および81%で、並流型の回転キルンを用いる方法の方が、より良質のPKS炭を得ることができた。
次に、表3に示した実験No.1〜No.4の原料PKS水分を0〜20%まで変更した場合の実験結果を比較すると、PKSの水分が上昇するに伴い、PKS炭の着火温度が上昇するとともに、比表面積が低下している。従って、供給するPKSの水分は低いことが望ましく、特に着火温度にみられように、原料PKSの水分が5%程度でも十分に良好であることが判明した。
また、PKSの滞留時間を延長した炭化・乾留実験(実験No.6およびNo.7)では、表3に示したように、揮発分が十分に低く、しかも着火温度が低く、比表面積が大きい(すなわち、燃焼性が良好な)PKS炭が得られた。しかし、PKS炭の生産率(つまり、単位時間当たりの回収量)および乾留ガス流量が小さくなるので、PKSのキルン内での滞留時間は、実験No.1〜No.4の実験結果も参照して、15分以内が望ましいと考えられる。
続いて、乾燥用の回転キルンによる乾燥処理実験を実施した。実験装置としては、図4の回転キルン3に取り付けられている点火バーナー2を取り外し、替わりにキルン内に供給する空気を加熱して、800℃程度までの高温空気を供給できるようにした回転キルンを備える装置を使用した。
回転キルンの仕様は表2に示したとおりである。
処理条件は、表2に記載される点火バーナーの取り外しに伴い、LPGの供給は行わず、高温空気の供給量を、表4に示した並流型の回転キルンを用いる方法(実験No.1)の排出乾留ガス量(237g/min)に近い240g/minとした。
表5に、実験条件を示す。
表5に示すように、実験No.11〜No.13では、並流型の空気供給方法で原料PKSの水分を10%、15%または20%とし、実験No.14では、向流型の空気供給方法で原料PKSの水分を15%とした。なお、供給空気温度は800℃としたが、原料PKSの水分が低い条件や、向流型の空気供給方法では、PKSが着火する事態が発生したので、これらの場合には供給空気温度を低下させる措置を採った。
排出されるPKSの水分を測定したところ、実験No.11の原料PKS水分が10%の場合は、排出PKS水分が6.5%と低く、乾燥効率が悪かった。これは、着火を防止するために、供給空気温度を低下させたことに起因している。一方、実験No.12およびNo.13の原料PKS水分が15%、20%の場合は、排出PKS水分が4.6%、3.3%で、良好な乾燥後水分値を示している。これは、高温の空気を供給しても着火することがないため、高温空気を供給できたことによるものである。また、実験No.14の向流型の空気供給方法で乾燥させた場合は、やはり着火が起こるので、供給温度を下げる必要があり、その結果、排出PKS水分は8.1%と高かった。
以上説明したように、PKSを水分が5%以下となるように乾燥する場合も、並流型の回転キルンを用いることが有効であり、この場合には、PKSの炭化・乾留処理を行う並流型回転キルンから排出される高温の乾留ガスを活用し、乾燥処理の際に着火しないように水分が15%以上のPKSを処理の対象とするのが望ましいことが確認できた。
本発明方法により製造されるアブラ椰子核殻炭(PKS炭)は、低揮発性で、かつ燃焼性が良好である上に、カーボンニュートラル材であることから、エネルギー源として使用しても炭酸ガス排出量には関与しない。したがって、本発明方法は製鉄所の焼結機や高炉におけるコークス、石炭の代替として使用可能な、しかも炭酸ガス排出量の削減に寄与することができる炭材の製造方法として有効に利用することができる。
1:回転キルン(炭化・乾留炉)、 2:点火バーナー、
3:アブラ椰子核殻(PKS)、 4:アブラ椰子核殻炭(PKS炭)、
5:乾留ガス、 6:ガス清浄冷却装置、 7:乾留ガスホルダー、
8:回転キルン(乾燥炉)、 9:PKS供給ホッパー、
10:粉状鉄鉱石、 11:溶材、 12:返鉱、
13a:粉コークス、 13b:無煙炭、 13c:PKS炭、
14:混合造粒、 15:焼結ベッド、 16:塊状焼結鉱、
17:鉄鉱石類、 18:塊コークス、 19:空気、
20a:PKS炭、 20b:石炭、
21:流量計、 22:燃焼装置、 23:組成分析計、

Claims (5)

  1. 内燃式回転キルンを用いてアブラ椰子核殻を炭化・乾留処理して高炉および焼結機に用いられるアブラ椰子核殻炭を製造する方法であって、
    回転キルンの点火バーナー側の端部から、水分5質量%以下のアブラ椰子核殻を投入し、点火バーナー用の空気を含めて、前記投入アブラ椰子核殻に対する質量比で1〜1.6倍量の空気を回転キルン内に供給することにより当該アブラ椰子核殻を炭化・乾留処理し、
    回転キルンの点火バーナー側とは反対側の端部から炭化物と乾留ガスを排出させることを特徴とするアブラ椰子核殻炭の製造方法。
  2. 前記製造方法は、水分15質量%以上のアブラ椰子核殻を、乾燥用の回転キルンを用いて、水分5質量%以下まで乾燥処理を行う乾燥工程を含み、
    前記乾燥工程により得られた水分5質量%以下のアブラ椰子核殻を前記炭化・乾留用の回転キルンに投入する、請求項1に記載のアブラ椰子核殻炭の製造方法。
  3. 前記炭化・乾留用の回転キルンから排出される乾留ガスを前記乾燥工程でのアブラ椰子核殻の乾燥に活用することを特徴とする請求項2に記載のアブラ椰子核殻炭の製造方法。
  4. 前記乾燥工程において、水分15質量%以上のアブラ椰子核殻と炭化・乾留用の回転キルンの排出乾留ガスを、前記乾燥用の回転キルンの同一端部から投入し、反対側の端部から排出することを特徴とする請求項3に記載のアブラ椰子核殻炭の製造方法。
  5. 炭化・乾留用の回転キルン内におけるアブラ椰子核殻の平均滞留時間を15分以内とすることを特徴とする請求項1または2に記載のアブラ椰子核殻炭の製造方法。
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