JP6079412B2

JP6079412B2 - 高炉用高強度コークスの製造方法

Info

Publication number: JP6079412B2
Application number: JP2013094256A
Authority: JP
Inventors: 加藤　健次; 健次加藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2033-04-26
Also published as: JP2014214268A

Description

本発明は、バイオマスを乾留して得られるチャーを、コークス原料の配合炭（以下、単に「配合炭」という。）に混合して、高炉用の高強度コークスを製造する方法に関するものである。

バイオマスはカーボンニュートラルであり、気候変動枠組条約締結国会議（ＣＯＰ３〜６、ＣＯＰ；The Conference Of the Party）での国際公約を達成するため、石油、石炭などの代替資源として、積極的に使用することが望まれている。

このことを踏まえ、バイオマスを配合炭（１種又は２種以上の銘柄の石炭を所定量切り出して配合したコークスの原料炭）の一部として用いる高炉用コークスの製造方法が幾つか提案されている（例えば、特許文献１〜４、参照）。

粉コークスや、バイオマスを乾留して得られるチャー（Ｃｈａｒ、以下「バイオマスチャー」ということがある。）を配合炭に混合すると、基本的には、コークス粒度は改善されるが、コークス強度（ＤＩ）は低下する。それ故、バイオマスチャーを配合炭に混合してコークスを製造する場合、所要のコークス強度（ＤＩ）を確保することが課題となる。

特許文献１には、バイオマスの有効利用及びＣＯ₂発生量の削減を実現できる他、乾燥炭搬送時の発塵及び乾燥炭装入時の微粉炭キャリーオーバーを抑制して、コークス強度（ＤＩ）を維持しつつ高炉用コークスを製造する方法が開示されている。

しかし、バイオマスチャーを配合炭に混合するコークスの製造においては、より一層のコークス強度（ＤＩ）の向上が求められている。

特許第４０５０９９２号公報特許第４１３９２６０号公報特開２００４−３５９８９８号公報特開２０１２−０１７５２８号公報

本発明は、バイオマスチャーを配合炭に混合して高炉用コークスを製造する方法において、特許文献１に記載の高炉用コークスの製造方法（従来法）で得られるコークス強度（ＤＩ）を超える強度（ＤＩ）を得ることを課題とし、該課題を解決する高炉用コークスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、特許文献１に開示の高炉用コークスの製造プロセスを前提に、高炉用コークスの製造プロセスの改善を試みた。その結果、バイオマスを乾留して得られる油分から化学原料を抽出した後の残滓の残留油分（以下、単に「残留油分」ということがある。）をバイオマスチャーに混合すれば、配合炭搬送時及び炉装入時の発塵を防止しつつ、コークス強度をより一層高めることができることを見いだした。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下の通りである。

（１）バイオマスを乾留して得られるチャーを配合炭に混合して高炉用コークスを製造する方法であって、次のＡ、Ｂ、及び、Ｃの工程を有することを特徴とする高炉用高強度コークスの製造方法。

Ａ工程：配合炭を乾燥し、水分量を６質量％以下とする。

Ｂ工程：バイオマスを乾留して得られる、粒度が１ｍｍ以下のチャーに、バイオマスを乾留して得られる油分から化学原料を抽出した後の残滓の残留油分を、上記チャーに対し１０〜１００質量％添加する。

Ｃ工程：Ａ工程で得られる配合炭に、Ｂ工程で得られるチャーを混合する。

（２）前記Ｃ工程において、Ａ工程で得られる配合炭に、Ｂ工程で得られるチャーを１〜５質量％混合することを特徴とする前記（１）に記載の高炉用高強度コークスの製造方法。

本発明によれば、残留油分がバイオマスチャーのコークス化を促進するので、所要の強度と粒径を備え、かつ、ガスとの反応性が高い高強度の高炉用コークスを製造することができる。本発明によれば、バイオマスを資源としてリサイクルし、かつ、ＣＯ₂の発生量を削減することができる。また、本発明によれば、石炭乾燥機を小さくできるので、設備費を低減することができる。

コークスの製造プロセス（特許文献１、参照）を示す図である。（ａ）は、従来の製造プロセスを示し、（ｂ）は、本発明の製造プロセスを示す。配合炭に混合するバイオマスチャーの粒径とコークスの反応性（ＪＩＳ反応性）の相関を示す図である。

本発明の高炉用コークスの製造方法（以下「本発明方法」ということがある。）は、一般廃棄物又は産業廃棄物であり、カーボンニュートラル資源のバイオマスを乾留して得られる残留油分の特性を有効に利用し、よりコークス強度（ＤＩ）の高いコークスを製造することを基本思想とする。

そして、本発明方法は、バイオマスを乾留して得られるチャーを配合炭に混合して高炉用コークスを製造する方法であって、次のＡ、Ｂ、及び、Ｃの工程を有することを特徴とする。

Ａ工程：配合炭を乾燥し、水分量を６質量％以下とする。

以下、本発明方法について説明する。

ＦＡＯ（国連食糧農業機関）の定義によれば、バイオマスは、生物量の総称であり、農業系（麦わら、サトウキビ、米糠、草木等）、林業系（製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材（薪炭林等）、畜産系（家畜廃棄物）、水産系（水産加工残滓）、廃棄物系（生ごみ、ＲＤＦ（ゴミ固形化燃料；Refused Derived Fuel）、庭木、建設廃材、下水汚泥）等に分類される。

本発明方法において、バイオマスは、ＦＡＯ（国連食糧農業機関）の定義に従うバイオマスであり、いずれの系のバイオマスも用い得るが、木質系バイオマスが好ましい。

バイオマスを、非酸化性雰囲気の乾留炉中で、１０００℃以上に加熱し、熱分解する。生成物として、固形分のチャー（バイオマスチャー）、常温で液体の油分、及び、ガスが生成する。チャーは、粉砕して、例えば、粒径１ｍｍ超のチャーと粒径１ｍｍ以下のチャーに分級して、配合炭（１種又は２種以上の銘柄の石炭を所定量切り出して配合したコークスの原料炭）に混合するコークス原料として回収する。

乾留炉から排出される常温で液体の油分には、化学工業において利用価値の高い化学原料（例えば、酢酸、アルコール類、フェノール類等）が含まれているので、上記油分から上記化学原料を抽出する。化学原料抽出後の残渣の油分（以下「残留油分」ということがある。）は、バイオマスチャーに混合するコークス原料として回収する。

本発明方法について、図面に基づいて説明する。

図１に、コークスの製造プロセスを示す。図１（ａ）に、従来の製造プロセス（特許文献１、参照）を示し、図１（ｂ）に、本発明の製造プロセスを示す。

従来は、図１（ａ）に示すように、配合炭ＡとバイオマスチャーＢを混合して、乾燥機１で乾燥し、チャー混合配合炭の水分量を、例えば、６％以下に低減する。上記水分量が６％を超えると、炉内装入時の嵩密度が低下し、コークス強度が低下する。乾燥後のチャー混合配合炭に、所要量の残留油分Ｃを、好ましくは、２〜５質量％混合して、コークス炉２に装入する。

残留油分は、コークス炉に装入する石炭の装入密度を上昇させる効果を有する油分として機能するとともに、石炭乾留時の粘結材として機能するので、コークス強度が向上する。

このように、従来の製造プロセスでもコークス強度は向上するが、本発明者らは、コークス強度のより一層の向上を目指し、製造プロセスの改善を試みた。その結果、残留油分をバイオマスチャーに混合し、この残留油分混合バイオマスチャーと配合炭を混合して乾留すれば、コークス強度がより一層向上することが解った。この点が、本発明方法の基礎をなす知見である。

即ち、本発明方法は、図１（ｂ）に示すように、（ａ）配合炭を乾燥機１で乾燥し、（ｂ）残留油分ＣをバイオマスチャーＢに混合し、（ｃ）乾燥した配合炭と、残留油分Ｃを予め混合したバイオマスチャーＢを混合機３で混合し、コークス炉２に装入して乾留する。

１種又は２種以上の銘柄の石炭を所定量切り出して配合し配合炭とする。配合炭の水分量は、原料ヤードの状況（天候、季節等）によって変化するが、通常、９質量％前後である。水分量が多いと、炉内装入時の嵩密度が低下し、コークス強度が低下するので、嵩密度を高くするため、配合炭を乾燥して、水分量を、例えば、０〜６質量％に低減する。好ましくは２〜６質量％である。

なお、配合炭の水分量を６％に低減すると、次の効果が得られる。

（ｉ）残留油分混合のバイオマスチャーを混合した配合炭の搬送過程で発生する微粉炭の発塵量や、水蒸気の発生量を低減できるので、微粉炭の発塵及び水蒸気の発生に伴うバグフィルター集塵効率の劣化を抑制できる。

（ii）上記配合炭のコークス炉装入時の発塵による微粉炭キャリーオーバー量を低減できるので、コークス炉の炭化室炉壁及び上昇管部へのデポジットカーボンに起因するコークス押出負荷の増大や、コークスガスの吸引不良を抑制でき、さらに、副産物成品のタール中のスラッジ分を低減して、タールの品質を向上させる。

残留油分は、バイオマスチャーに１０〜１００質量％混合する。残留油分の混合率が１０質量％未満であると、所要のコークス強度が得られないので、残留油分は、バイオマスチャーに１０質量％以上混合する。残留油分の混合率が１００質量％を超えると、配合炭装入後の嵩密度が低下し、コークス強度が低下するので、残留油分は、バイオマスチャーに１００質量％以下混合する。

残留油分を予め混合したバイオマスチャーと、乾燥した配合炭を混合して乾留することにより、コークス強度がより一層向上する理由は、次のように推測される。

所要量の残留油分を混合したバイオマスチャーを、乾燥後の配合炭に混合すると、コークス炉での乾留工程において、次の現象が発現する。

通常、室式コークス炉による乾留においては、燃焼室の熱で加熱された炉壁近傍の石炭が軟化し、熱分解で揮発成分が脱離し、その後、再固化し、次いで、熱収縮してコークス化反応が終了する。

コークス化反応が炭化室の両側の炉壁から中心部に向かって進行するが、再固化後の熱収縮過程で、炉壁面に平行な方向に熱応力が発生し、応力集中部から亀裂が発生する。亀裂は、壁面側から炭化室中心部の方向へコークス化反応の進行に伴い進展する。

コークス中の大きな亀裂は、コークス押出し後の製品コークスの平均粒径を低下させ、粉コークス量を増加させる原因となるが、バイオマスチャー自身は、石炭が再固化する温度域における収縮率が、石炭の収縮率に比べて小さいので、バイオマスチャー混合の配合炭を乾留すると、再固化後の熱収縮過程で亀裂が発生しても、亀裂先端部のエネルギーが、バイオマスチャー粒界近傍での微小亀裂の発生により開放されて、亀裂の伝播が阻止される。

バイオマスチャーは、粉コークスや無煙炭と収縮率は略同じであるが、気孔量が多く、嵩密度が大きく、さらに、無煙炭に比べ揮発成分がないので、収縮率が小さい。バイオマスチャーに残留油分を混合すると、残留油分が、チャーの気孔表面に吸着されるので、バイオマスチャーが周囲の石炭粒子と接着し易くなり、コークス強度が向上する。

また、バイオマスチャーを用いると、バイオマスは石炭粒子に比べて収縮率が小さいので、バイオマスチャー粒界の近傍で微小亀裂が多量に発生し、コークスの再固化後の熱収縮過程で発生する亀裂の先端部のエネルギーが大きく開放され、亀裂の伝播が阻止される。

その結果、コークス中において大きな亀裂が減少するとともに、製品コークスの平均粒径が増大し、粉コークス量が減少する。

即ち、残留油分を混合したバイオマスチャーを、乾燥した配合炭に混合することにより、所要の粒径を有し、かつ、発塵量の少ない高炉用の高強度コークスを製造することができる。

なお、バイオマスチャーは、粉コークスや無煙炭の混合量より少ない混合量で、大きな亀裂の発生を抑制して、製品コークスの平均粒径を増大することができる。

残留油分を予め混合したバイオマスチャーの、乾燥した配合炭に対する混合率は、得られるコークス強度との相関に基づいて適宜設定するが、従来のコークス強度を超えるコークス強度を安定的に得るためには、１〜５質量％の混合が好ましい。上記混合率が１質量％未満であると、バイオマスチャーの添加効果が発現せず、所要のコークス強度が得られない。また、上記混合率が５質量％を超えると、同じく、所要のコークス強度が得られない。

本発明者らは、バイオマスチャーが多孔質であることに着目し、本発明方法で製造した高炉用コークスのガスとの反応性を調査した。具体的には、配合炭に混合するバイオマスチャー（残留油分混合前）の粒径（ｍｍ）とガス反応性（ＪＩＳ反応性）の相関について調査した。その結果を、図２に示す。図２から、配合炭に添加するバイオマスチャーの粒径が１ｍｍ以下であると、コークスのガス反応性が顕著に向上することが解る。

バイオマスチャーは粉砕して用いるが、コークスの反応性の点から、粒径１ｍｍ以下のバイオマスチャーが好ましいことが解る。バイオマスチャーの粒径が１ｍｍ超であると、コークスの反応性が徐々に低下することが解る。

この結果を踏まえ、本発明方法においては、配合炭に混合するバイオマスチャーの粒径は１ｍｍ以下が好ましい。

バイオマスチャーの粒径が１ｍｍを超えると、コークスのガス反応性が徐々に低下する。バイオマスチャーの粒径は小さいほど好ましく、特に下限を設定する必要はないが、実際には、粉砕性の維持及び発塵の防止の点から、０．１ｍｍ以上が好ましい。

本発明方法においては、所要量の残留油分を混合したバイオマスチャーを、好ましくは１〜５質量％、乾燥した配合炭に混合する。

残留油分混合バイオマスチャーの混合効果は、１質量％未満の混合でも発現するが、１質量％以上で得られるが、粒径１ｍｍ以下のバイオマスチャーを用いる場合において、バイオマスチャーの混合による比表面積増加によるガス反応性の向上効果を得るためには、１質量％以上の混合が好ましい。好ましくは２質量％以上である。

残留油分混合バイオマスチャーの混合量を増大すると、通常、製品コークスの強度は低下するが、この強度の低下量は、粉コークスや無煙炭を添加した場合の低下量に比べて小さいので、残留油分混合バイオマスチャーを多量に混合することが可能である。

しかし、残留油分混合バイオマスチャーを、乾燥した配合炭に５質量％を超えて混合すると、コークス強度の低下量が無視できなくなるので、残留油分混合バイオマスチャーの混合量は５質量％以下が好ましい。好ましくは４質量％以下である。

よって、本発明方法において、残留油分混合バイオマスチャーの乾燥した配合炭への混合量は１〜５質量％が好ましい。好ましくは２〜４質量％である。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例）
杉の廃材（林業系バイオマス）を、乾留炉で、１０００℃、５時間、乾留して熱分解し、熱分解生成物として、バイオマスチャー：２６質量％、油分：２１質量％、水分３０質量％、ガス：２３質量％を得た。油分から、化学原料を抽出して、残留油分を得た。

図１（ｂ）に示す製造プロセスで、表１に示す条件で高炉用コークスを製造し、ＤＩ¹⁵⁰ ₁₅（−）、平均粒径（ｍｍ）、及び、ＪＩＳ反応性（％）を測定した。結果を表１に併せて示す。

表１から、バイオマスを活用して、所要の強度と粒径を備え、かつ、ガスとの反応性が高い高炉用コークスを製造できることが解る。

前述したように、本発明によれば、残留油分がバイオマスチャーのコークス化を促進するので、所要の強度と粒径を備え、かつ、ガスとの反応性が高い高強度の高炉用コークスを製造することができる。本発明によれば、バイオマスを資源としてリサイクルし、かつ、ＣＯ₂の発生量を削減することができる。また、本発明によれば、石炭乾燥機を小さくできるので、設備費を低減することができる。

よって、本発明は、技術的のみならず経済的な効果が非常に大きく、産業上の利用可能性が高いものである。

１乾燥機
２コークス炉
３混合機
Ａ配合炭
Ｂバイオマスチャー
Ｃ残留油分

Claims

バイオマスを乾留して得られるチャーを配合炭に混合して高炉用コークスを製造する方法であって、次のＡ、Ｂ、及び、Ｃの工程を有することを特徴とする高炉用高強度コークスの製造方法。
Ａ工程：配合炭を乾燥し、水分量を６質量％以下とする。
Ｂ工程：バイオマスを乾留して得られる、粒度が１ｍｍ以下のチャーに、バイオマスを乾留して得られる油分から化学原料を抽出した後の残滓の残留油分を、上記チャーに対し１０〜１００質量％添加する。
Ｃ工程：Ａ工程で得られる配合炭に、Ｂ工程で得られるチャーを混合する。
前記Ｃ工程において、Ａ工程で得られる配合炭に、Ｂ工程で得られるチャーを１〜５質量％混合することを特徴とする請求項１に記載の高炉用高強度コークスの製造方法。