JP6377140B2 - コークスの冷却方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は、冶金産業の技術分野に関するものである。特に、本発明は、石炭の乾留(コーキング)により生産されたコークスの冷却方法、及び、この方法を実行するためのプラントに関する。
コークスは、燃料、及び、鉱石の溶解炉すなわち高炉における還元剤として用いられる。コークスは、石炭の精錬プロセス、普通は製鉄所の一部であるいわゆるコーキングプラントにより得られる。コーキングプラントは、内部がシリカ又はシリコアルミナの耐火レンガによりコーティングされ一組となって互いに隣り合って配置された一連のセルにより製造された炉を備えている。
石炭は、セル間の空洞にて燃えているガス炎により外から加熱されたセル中に密閉される。石炭は、1200〜1300°Cの温度のセル中に14/24時間置かれ、その間に、よい割合の硫黄成分や揮発成分が放出され、高炉にて用いるために必要な多孔性と機械的抵抗力とを得られる。
高炉において、コークスは燃料として働き、異なる化学反応が起きるのに必要な温度を発生し、これにより、鉄鉱石の還元反応を発生し、鉄を増熱する。コーキング工程の終了段階では、1200〜1300°Cの温度を有するコークスが、適切な延伸機により炉から取り除かれる。その後、クエンチング(quenching)と呼ばれる工程により、コークスは冷却される。
技術は、「湿式」冷却と「乾式」冷却として知られている。前者は、炉から取り除かれたコークスを消火車に移動させて、コークスを消火塔へと供給する工程を含んでいる。消火塔においては、コークスの温度を1200〜1330°Cから周辺環境の温度に近い温度まで急速に到達させるために、大量の水がコークスにかけられる。
消火塔は、一般的に、発生した水蒸気流に乗ってきた微粒子を留めるのに適したバッフルを備えている。
上記の「湿式」技術は、コークスの冷却工程にだけ言及した場合でも、多くの重大な欠点を有している。
主な欠点は、消火塔から出ていく蒸気と共に非常に多量の縮合多環式炭化水素が発生することにある。コークスの水を用いた処理は、実際に、1200〜1300°Cの温度では、消火塔から排出される水蒸気が、高い毒性及び発がん性を有することが知られているアントラセン、アセナフタレン、ベンゾピレン、ベンゾフルオランテン、フェナントレン、クリセンといった、芳香族多環式炭化水素(IPA)を含む様々な有機物質も含んでしまうといった、ある種の蒸気蒸留を引き起こす。
微粒子を留めるために消火塔中に設けられたバッフルは、上記の有毒で発がん性のある有機物質を環境中へと排出することを完全には止めることができない。
さらなる欠点は、単にコークスに水をかけるとの方法によりコークスを冷却する際に発生する大量の熱エネルギーを回収することなく分散させることに起因するものである。
上記の後者の技術、すなわち、CDQ(「Coke Dry Quenching」)の頭字語で定義される「乾式」技術は、水の助けが不要なコークスの冷却方法である。
コークスは、不活性ガス(例えば、窒素)流を熱交換手段とする適切なホッパーに移動される。コークスを通過するガスは、コークスを冷却させる一方、過剰に熱せられる。CDQプラントは非常に複雑で大規模であり、そのため、一般的には、液体状態の水を得ることができない場所に建てられる。
従って、本発明の課題は、蒸気流中への微粒子の排出だけでなく特に有機揮発物質、特に多環式芳香族炭化水素、の排出も厳密に制御することを保証するための、コーキングにより生産されたコークスの冷却方法を提供すること、及び、冷却工程中に発生した熱エネルギーの実質的な回収を可能とすることである。
このような課題は、本発明によると、石炭の乾留により生成され、900°C以上の温度を有するコークスの冷却方法であって、
a)コークスと流体との間に挿入された熱伝導性材料の壁を通した流体との熱交換により、コークスの温度を約700〜300°Cまで低下させるステップと、
b)対向する終端が対応する終端板により閉じられオプションである本体の内壁のための冷却ジャケットが設けられた円筒管状本体と、少なくとも1つのコークスの入口開口と、少なくとも1つの水の入口開口と、少なくとも1つの排出開口と、円筒管状本体内にて回転可能に支持され、コークスのハンドリング及び前進に適合された放射状に突出する要素を有するシャフトを有するロータと、を備えたターボクーラー(T)にコークス流を連続的に供給するステップと、
c)少なくとも1つの入口開口を通してターボクーラーに100°C以下の水流を連続的に供給し、コークスと水の流れを、コークスを少なくとも1つの排出開口へと前進させるロータの動作に従わせるステップと、
d)少なくとも1つの排出開口から200°C以下の温度のコークス流と水蒸気流とを連続的に排出するステップと、
を備える方法により解決された。

本発明の一見地において、ステップa)においてコークスの温度を低下させるために用いられる上記の流体は水であり、この場合、ステップa)において高温の蒸気が発生する。
他の見地において、ステップa)においてコークスの温度を低下させるために用いられる上記の流体は透熱性の油であり、この場合、コークスとの熱交換により高温となった透熱性の油は、ベクターとして用いられ、エネルギー回収のための回路において熱源として用いられる。
好ましくは、上記の水の連続的な流れは、円筒管状本体の長さ方向にかつ外部に配置されたマニホールドを通してターボクーラーに供給され、少なくとも1つの水の入口開口は、マニホールドの一端に設けられた少なくとも1つの開口と、マニホールドから分岐しその全長に亘って円筒管状本体の内壁へと延びる複数のノズルと、を有する。
好ましくは、少なくとも1つの水の入口開口は、また、ロータのシャフトに形成され、水を導入するための複数のノズルを含む。
好ましくは、本発明に係る方法は、ステップa)において発生した高温蒸気を、エネルギー回収のためにエネルギー発生機へと供給するステップを備える。
他の好ましい実施形態において、本発明に係る方法は、コークスとの熱交換の結果高温となった透熱性の油を、エネルギー回収のために発電機へと供給するステップを備える。
好ましい実施形態によると、本発明に係る方法は、70°C未満好ましくは約10〜50°Cの温度を有する水との熱交換のために、ステップd)においてターボクーラーから排出された600〜200°Cの温度を有する水蒸気の熱を回収し、その結果、種々の利用のため及び廃棄物利用エネルギーのために用いる(100°C未満の)熱水と、100°Cよりも高い、一般的には約400〜120°Cの温度を有する蒸気とを得るステップを備える。
この熱交換ステップにより排出された蒸気は、例えばスクラバーを用いた洗浄ステップと、凝集ステップとに用いられ、これにより、冷却工程に再度供給可能な水と、乾燥しペレット化したスラッジとを得る。
実質的にコークスと同じ化学組成を有するこのスラッジは、回収サイクルへと送ることができる。
コークスの温度を約700〜300°Cまで低下させる上記のステップa)は、
多角形の断面を有する底部と、熱伝導性の材料好ましくは金属製の壁を有する筐体と、互いに並んで底部に対して垂直に延び、熱伝導性の材料好ましくは金属製である複数のバッフルと、を有し、熱伝導性の材料好ましくは金属製のダクトが壁及びバッフルに設けられ、底部に対して垂直方向に延び、互いに流体連通しており、上記の流体の入口及び出口が設けられた蛇行部を形成するよう接続された、コンダクションボイラーを設けるステップと、
900°C以上の温度を有するコークスを、ボイラーのバッフル間及びバッフルと壁との間に定義された空間に導入し、コークスの熱を、ダクト内を循環する流体へと移動させ、それらの出力中に高温の蒸気を発生させるステップと、
により実行される。
本発明の一見地によると、蛇行部の入口を通して水が供給され、高温(約350〜450°C)の蒸気が当該蛇行部の出口から排出される。
他の見地によると、前記入口から蛇行部に導入される流体は透熱性の油であり、当該油は、300°C未満の温度、好ましくは200と280°Cとの間の温度となって、上記の出口から排出される。
さらなる見地において、本発明は、また、請求項14〜16のいずれかに係る上記の方法を実行するためのプラントに関する。
よって、本発明は、第1のステップは「乾式」と、第2のステップは「湿式」と定義できるハイブリッド技術に関する。
2つのステップを順次適用することにより、エネルギー回収可能で、大気へのガス排出を封じ込めることが可能であるとの有利点とともに、規模を減少したプラントを得られる。
ここに添付した図面と、限定ではなく例示として示された以下に記載のいくつかの実施形態とを参照して、本発明をさらに説明していく。
本発明に係る方法の実施形態に関するブロック図。 本発明に係る方法に使用可能なコンダクションボイラーの遠近図。 本発明に係る方法に用いられるターボクーラーを示す図。
実施形態の一つにおいて、図1のブロック図を参照すると、本発明に係る方法は、コーキングステップにて得られ、温度が900°C以上のコークスをコンダクションボイラーCに供給することを備える。コンダクションボイラーCにおいて、コークスの熱の一部は、このボイラー中を循環している水へと移動する。この結果、約300〜500°Cの温度を有する蒸気が発生し、当該蒸気は、エネルギー回収のために、タービン発電機GTへと供給される。
本発明に係る方法に使用可能なコンダクションボイラーの一例が、図2に示されている。このタイプのボイラーCは、耐火モルタルと金属材料製の壁1を有する実質的に四角形の底部を有する角錐台形状を有する。内部には、金属材料製の円断面を有するダクト2が配置されており、当該ダクトは、底部に対して垂直に延びている。
各壁1のダクト2は、互いに流体連通しており、水の入口5と蒸気の出口6とが設けられた蛇行部を形成するよう接続されている。
ボイラーCの壁1の内部には、ボイラーの底部に対して垂直に延びる金属材料製の複数のバッフル3が配置されている。円断面を有し底部に対して垂直に延びる金属材料製のダクト2は、当該バッフルに取り付けられている。また、各バッフル3のダクトは互いに流体連通しており、水の入口5と蒸気の出口6とが設けられた蛇行部を形成するよう接続されている。
ボイラーの底部には、ボイラーCから出て行くコークスを連続的に排出するための引き出し4が配置されている。
コーキングフェーズにて得られ、900°C以上の温度を有するコークスは、例えば、チェーンコンベヤ又はベルトコンベヤといったコンベヤーによって、コンダクションボイラーCの上部に配置されたディストリビューター7へと排出され、ボイラーC中へと供給される。ディストリビューター7は、コークスを、バッフル3と壁1により定義された多方面の仕切りへと均一に供給させる。
ボイラーCの上部では、ホッパー8が、ボイラーの入口に熱いコークスを集める。ホッパー8は、内部が耐火モルタルでコーティングされた金属材料製である。
ボイラーの上部に供給されたコークスは、壁1及びバッフル3に取り付けられたダクト2により形成された蛇行部中を循環する水に、その熱エネルギーの一部を徐々に与え、温度が700〜300°Cとなったときに、引き出し4によりボイラーの下部から取り除かれるコークスにより、ボイラー中を徐々に下降する。
上記の蛇行部中を循環する水は、コークスとの熱交換により、約300〜500°Cの高温の蒸気へと変換され、当該蒸気は、上記したように、エネルギー回収のためにタービン発電機GTへと供給される。
水は、マニホールド5を通してボイラーCの蛇行部へと入り、マニホールドから垂直方向の全てのダクト2へと分岐する。コークスは、熱伝導及び熱放射により水に熱を与え、その結果蒸気を発生させ、その蒸気は、ボイラーの上部に移動され、マニホールド6を通してボイラーから出て行く。
変形例として、水に代わる冷却流体として透熱性の油を使用できる。この透熱性の油も、マニホールド5を通してボイラーCの蛇行部へと入り、垂直方向のダクト2へと分岐した後、300°C以下、好ましくは200〜280°Cの温度にて、マニホールド6を通してボイラーから出て行く。
ボイラー中の酸素量を低下させるために、コークス流とは逆方向に、一般的には窒素又は二酸化炭素である不活性ガス流を供給することも予測できる。不活性ガス流は、連続的に供給されてもよいし、所定の時間の間だけ供給されてもよい。
引き出し4を通して排出されたコークスは、ターボクーラーTへと供給される。
図3に示すターボクーラーTは、対向した終端が対応する終端板19、20により閉じられ、一般的には水にて構成される冷却流体が流される本体の内壁のための冷却ジャケット21が設けられた円筒管状本体18と、コークスの入口開口9と、ノズル16が設けられたマニホールド17群からの水の入口10と、冷却されたコークスの排出開口11と、蒸気の排出開口12と、円筒本体内にて回転可能に支持され、例えば、棒形状、ヘラ形状、又は鋤形状であってコークスを前進及び水と混合しやすくするよう適合された放射突出要素14を有するシャフト13を有するロータと、を備える。円筒管状本体18の内部に水を供給するためのノズル形状の複数の開口15が、シャフト13に存在する。
コークスは、下部19近傍に配置された入口開口9を通してターボクーラーTへと供給される一方、コークスを冷却するための水は、マニホールド17の入口開口10を通してターボクーラーの円筒本体に位置するノズル16へ供給され、また、ロータのシャフト13のノズル15を構成する他の入口開口を通して供給される。
コークスは、ターボクーラーへと入ると、ロータの機械的動作を受け、100rpm以下、好ましくは1〜50rpmの速度にて回転され、100°C以下、好ましくは約10〜50°Cの温度の水が流されるジャケット19により冷却された円筒管状本体18の内壁と接触し、排出開口11へと前進する。ロータ13の要素14は、入口開口10及びノズル15、16を通して管状円筒本体18内部へと連続的に導入される水に対しても作用して、水とコークスとを十分接触させる。
従って、コークスと円筒管状本体18の冷却内壁との間の間接的な熱交換、及び、コークスと円筒管状本体18内部に供給された水との間の直接的な熱交換の両方が達成される。
この結果、連続的な工程にて、ターボクーラー内部にコークスを30分未満滞在させた場合に、コークスの温度を700〜300°Cから200〜100°へと低下できる。
コークスと水との熱交換によりターボクーラー内部にて発生し、約600〜200°Cの温度を有する蒸気は、排出開口12を通して排出され、図1に示した熱交換器Sへと移動される。
ここでは、50°C以下、典型的には15〜30°Cの温度にて入ってきた水と熱交換が行われ、その水の温度を70〜100°Cとし、当該水を廃棄物利用エネルギーと使用できる。
この熱交換ステップから出てきた、100°Cより高い温度、典型的には、150〜300°Cの温度を有する蒸気は、例えば、図1において「L/C」にて示したスクラバー凝集装置中の洗浄及び凝集ステップへと送られ、これにより水が得られ、当該水は、ターボクーラーT内部での冷却プロセスにおいて再利用できる。スラッジは、図1おいて「E」にて示したドライヤー中で乾燥され、水を凝集して回収し、当該水をターボクーラーTへと戻すことができる。最後に、コークスと実質的に同じ化学組成を有する乾燥スラッジは、適切な回収サイクルへと送られる。
限定ではなく例示としての本方法の実施例を参照に、本発明をさらに記載していく。
(実施例)
コーキングフェーズにて得られ約1100°Cの温度を有するコークスを、コンダクションボイラーCの上部から内部へと1000kg/hの流量で排出し、壁1及びバッフル3に取り付けられ約230°Cの透熱性の油を2800kg/hの流量にて供給したダクト2と接触させた。ボイラーの内部に平均150分間存在させた後、コークスを、引き出し4により、ボイラーCの下部から周期的に取り出した。
コークスとダクト2中の透熱性の油との熱伝導及び熱放射による熱交換の後、透熱性の油は、約300°Cとなり、常に2800kg/hの流量にて、エネルギー回収のための発電機へと移動された。
約400°Cの温度を有してボイラーから出てきたコークスは、1000kg/hの流量にて、上記のように、入口開口9を通して、ターボクーラーTの内部へと連続的に供給された。同時に、開口10及びノズル15、16を通して、水が、約60°Cの温度で150kg/hの全流量にて、ターボクーラーTの内部へと導入された。
約40°Cの初期温度にて、水を、ターボクーラーTのジャケット中にて循環させた。
ヘラ状ロータのシャフト13を、5rpmの速度にて回転させ、平均15分滞在させた後、コークスが、排出開口11から約100°Cの温度にて連続的に排出された一方、水蒸気流が、約400°Cの温度にて、開口12から連続的に排出された。
ターボクーラーから出てきたコークスは、その後の鉄鋼産業の次の作業ステップ、特に塊成化ステップへと移された。
一方、蒸気は、廃棄物利用エネルギーための熱水の発生のための上記の熱交換ステップへと移され、スクラビング及び凝集され、コークススラッジを乾燥させた。凝集され冷却された蒸気は、閉じられたサイクルにおいて、ターボクーラーへと再度送られた。

Claims (16)

  1. 石炭の乾留により生成され、900°C以上の温度を有するコークスの冷却方法であって、
    a)コークスと流体との間に挿入された熱伝導性材料の壁を通した前記流体との熱交換により、前記コークスの温度を約700〜300°Cまで低下させるステップと、
    b)対向した終端が対応する終端板(19、20)により閉じられ、本体の内壁のための冷却ジャケット(21)が設けられた円筒管状本体(18)と、少なくとも1つの前記コークスの入口開口(9)と、少なくとも1つの水の入口開口(10、15、16)と、少なくとも1つの排出開口(11、12)と、前記円筒管状本体(5)内にて回転可能に支持され、前記コークスと水との混合及び前進に適合された放射状に突出する要素(14)を有するシャフト(13)を有するロータと、を備えたターボクーラー(T)に約700〜300°Cの前記コークス流を連続的に供給するステップと、
    c)前記少なくとも1つの入口開口(10、15、16)を通して前記ターボクーラー(T)に100°C以下の水流を連続的に供給し、前記コークスと水の流れを、前記コークスを前記少なくとも1つの排出開口(11)へと前進させる前記ロータの動作に従わせるステップと、
    d)前記少なくとも1つの排出開口(11、12)から200°C以下の温度のコークス流と水蒸気流とを連続的に排出するステップと、
    を備える方法。
  2. ステップa)において前記コークスとの熱交換のために用いられる前記流体は、透熱性の油である、請求項1に記載の方法。
  3. ステップa)において前記コークスとの熱交換のために用いられる前記流体は、当該熱交換の結果、高温の蒸気に変換される水である、請求項1に記載の方法。
  4. 前記水の連続的な流れは、前記円筒管状本体(18)の長さ方向にかつ外部に配置されたマニホールド(17)を通して前記ターボクーラー(T)に供給され、
    前記少なくとも1つの水の入口開口は、前記マニホールド(17)の一端に設けられた少なくとも1つの開口(10)と、前記マニホールド(17)から分岐しその全長に亘って前記円筒缶状本体(18)の前記内壁へと延びる複数のノズル(16)と、を有する、
    請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
  5. 前記少なくとも1つの水の入口開口は、また、前記ロータの前記シャフト(13)に形成され、水を導入するための複数のノズル(15)を含む、請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
  6. ステップa)において発生した前記高温蒸気を、エネルギー回収(GT)のために発電機へと供給するステップをさらに備える、請求項3に記載の方法。
  7. 前記コークスとの熱交換の結果高温となった前記透熱性の油を、エネルギー回収のために発電機へと供給するステップをさらに備える、請求項2に記載の方法。
  8. ステップd)において前記ターボクーラー(T)から排出された600〜200°Cの温度を有する水蒸気と、70°C未満好ましくは約10〜50°Cの温度を有する水との熱交換を行い、100°C未満の)熱水と、100°Cよりも高い、一般的には約450〜120°Cの温度を有する蒸気とを得るステップをさらに備える、請求項1〜7に記載の方法。
  9. 水との熱交換により得られた100°Cより高い温度の前記蒸気が、洗浄及び凝集ステップに用いられ、これにより、ステップc)において前記ターボクーラー(T)へと再度供給可能な水と乾燥スラッジを得る、請求項8に記載の方法。
  10. 実質的に前記コークスと同じ化学組成を有する前記乾燥スラッジを、回収サイクルへと送る、請求項9に記載の方法。
  11. 前記コークスの温度を約700〜300°Cまで低下させる前記ステップa)は、
    多角形の断面を有する底部と、熱伝導性の材料好ましくは金属製の壁(1)を有する筐体と、互いに並んで前記底部に対して垂直に延び、熱伝導性の材料好ましくは金属製である複数のバッフル(3)と、を有し、熱伝導性の材料好ましくは金属製のダクト(2)が前記壁(1)及び前記バッフル(3)に設けられ、前記底部に対して垂直方向に延び、互いに流体連通しており、水の入口(5)及び蒸気の出口(6)が設けられた蛇行部を形成するよう接続された、コンダクションボイラー(C)を提供するステップと、
    900°C以上の温度を有するコークスを、前記ボイラーの前記バッフル(3)間及び前記バッフル(3)と前記壁(1)との間に定義された空間に導入し、前記コークスの熱を前記ダクト(2)内を循環する水へと移動させ、それらの出力中に高温の蒸気を発生させるステップと、
    により実行される、請求項1、3、及び6のいずれかに記載の方法。
  12. 前記コークスの温度を約700〜300°Cまで低下させる前記ステップa)は、
    多角形の断面を有する底部と、熱伝導性の材料好ましくは金属製の壁(1)を有する筐体と、互いに並んで前記底部に対して垂直に延び、熱伝導性の材料好ましくは金属製である複数のバッフル(3)と、をと有し、熱伝導性の材料好ましくは金属製のダクト(2)が前記壁(1)及び前記バッフル(3)に設けられ、前記底部に対して垂直方向に延び、互いに流体連通しており、透熱性の油の入口(5)及び出口(6)が設けられた蛇行部を形成するよう接続された、コンダクションボイラー(C)を設けるステップと、
    900°C以上の温度を有するコークスを、前記ボイラーの前記バッフル(3)間及び前記バッフル(3)と前記壁(1)との間に定義された空間に導入し、前記コークスの熱を前記ダクト(2)内を循環する透熱性の油へと移動させ、それらの出力中にて高温の透熱性の油を得るステップと、
    により実行される、請求項1、2、及び7のいずれかに記載の方法。
  13. 前記コンダクションボイラー(C)中に、前記コークス流とは逆向きの流れの不活性ガス流を供給するステップをさらに備える、請求項11又は12に記載の方法。
  14. 多角形の断面を有する底部と、熱伝導性の材料好ましくは金属製の壁(1)を有する筐体と、互いに並んで前記底部に対して垂直に延び、熱伝導性の材料好ましくは金属製である複数のバッフル(3)と、をと有し、熱伝導性の材料好ましくは金属製のダクト(2)が前記壁(1)及び前記バッフル(3)に設けられ、前記底部に対して垂直方向に延び、互いに流体連通しており、水又は透熱性の油から選択される流体の入口(5)、及び、水又は透熱性の油から選択される流体の出口(6)が設けられた蛇行部を形成するよう接続された、コンダクションボイラー(C)と、
    終端が終端板(19、20)により閉じられ、本体の内壁のための冷却ジャケット(21)が設けられた円筒管状本体(18)と、少なくとも1つの前記コークスの入口開口(9)と、少なくとも1つの水の入口開口(10、15、16)と、少なくとも1つの排出開口(11、12)と、前記円筒管状本体(18)内にて回転可能に支持され、前記コークスと水との混合及び前進に適合された放射状に突出する要素(14)を有するシャフト(13)を有するロータと、を備えたターボクーラー(T)と、
    を備えた、請求項11〜13に記載のいずれかの方法を実行するためのプラント。
  15. 前記ターボクーラー(T)は、前記円筒管状本体(18)の長さ方向にかつ外部に配置された複数のマニホールド(17)を備え、
    前記ターボクーラーの前記少なくとも1つの水の入口開口は、前記マニホールド(17)の一端に設けられた少なくとも1つの開口(10)と、前記マニホールド(17)から分岐しその全長に亘って前記円筒管状本体(18)の前記内壁へと延びる複数のノズル(16)と、を備える、
    請求項14に記載のプラント。
  16. 前記少なくとも1つの水の入口開口は、また、刃を有するロータの前記シャフト(13)に形成され、水を導入するための複数のノズル(15)を含む、請求項15に記載のプラント。
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