JP6624181B2 - コークス炉の原料装入方法 - Google Patents

Description

本発明は、原料炭装入時の落下衝撃による成型炭の破壊、炉底レンガの破損を抑制するコークス炉の原料装入方法に関する。

高炉用コークスは、室炉式コークス炉に配合炭を装入して製造されているが、この方式による高炉用コークスの製造には強粘結炭を必要とする。全石炭類の埋蔵量中に占める強粘結炭の比率は低いが、近年、需要は年々増大しており、そのため強粘結炭のコストは上昇している。一方、鉄鋼産業において成型炭を高炉用コークスの原料として成型炭単独で、あるいは配合炭と成型炭とを混合することでコークス品質を保持しつつ強粘結炭を非微粘結炭あるいは一般炭に代替し、強粘結炭の使用を節減する技術が開発されている。

一般的に成型炭は配合炭を破砕したものと、バインダーと呼ばれる粘結材とを混合し混練した後、成型機で加圧成型することにより製造される。この成型炭はコークス炉まで搬送され、炉頂からコークス炉内に落下装入されるが、装入時にコークス炉の炉底と成型炭が衝突することにより成型炭が破壊・粉化し一般炭、非微粘結炭が成型炭外に放出されて、これがコークス中の脆弱部となりコークス強度が低下する。従来、コークス炉装入時の落下衝撃による成型炭粉化を抑制する様々な方法が提案されている。

コークス炉装入時の落下衝撃による成型炭の粉化を抑制する方法としては、配合炭のバインダー添加量を増やし成型炭の強度を増強する方法が知られている。また、特許文献１では、成型炭原料の配合炭の粒度分布を調整することで、バインダーを増やすことなく成型炭強度を向上させコークス炉装入時の落下衝撃による成型炭粉化を抑制する方法が開示されている。特許文献２では、コークス炉において、炉底部の炉幅を炉頂部より幅広く構成し、炉底部の成型炭の降下速度を炉頂部の降下速度より遅くすることにより成型炭に作用する衝撃を減ずる方法が開示されている。特許文献３では、装入シュートの直下に、装入シュート内の成型炭が常に充填降下するような一定の間隙をもって鞍部材を配置することにより、各装入シュートにより装入される成型炭を二股に分けて装入させて、落下衝撃を緩和する方法が開示されている。

特開平６−３４６０５８号公報 特開平６−３０６３６７号公報 特開昭５４−１４８００３号公報

しかしながら、一般的にバインダーは配合炭と比較して高価であるため、バインダー添加量を増やす方法は、成型炭製造の原材料コストアップにつながる。また、バインダー添加量を増やして成型炭の強度を高めると、高強度の成型炭が装入時にコークス炉の炉底と衝突し、コークス炉底レンガの損傷が発生する。コークス炉底レンガの損傷は、レンガ表面の摩擦力増大の要因となりコークス押出し排出時の負荷増大の要因となる。

また、特許文献１に開示された方法では、配合炭の分級装置が必要になるので、設備コストアップおよびランニングコストアップにつながる。さらに、成型炭を高強度にすると、上述したコークス炉底レンガの損傷が発生する。また、特許文献２に開示された方法では、従来の室炉式では使用することができず、従来とは異なる形状のコークス炉を新たに建設することが必要になり、設備コストアップにつながる。さらに、特許文献３に開示された方法では、鞍部材にコークスガス由来のタール等の粘着性の高い付着物が付着した際、成型炭が閉塞する。また、コークス炉および装炭装置の大幅な改造が必要になり、設備コストアップにつながる。

本発明は、上記従来技術を鑑みてなされたものであり、従来のコークス炉を用いながらコークス炉装入時の落下衝撃による成型炭の粉化を抑制できるコークス炉の原料装入方法を提供することを目的とする。

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）コークス炉に原料炭を装入する際、コークス炉の炉底にコークスを配置した後に、前記原料炭である成型炭または成型炭を含む配合炭を前記コークス炉に装入することを特徴とするコークス炉の原料装入方法。
（２）前記コークス炉に前記原料炭を装入する装炭孔下部における前記コークスの層厚が２０ｍｍ以上になるように前記コークスを装入することを特徴とする（１）に記載のコークス炉の原料装入方法。
（３）前記コークス炉に前記原料炭を装入する装炭孔下部における前記コークスの層厚が、あらかじめ実験により求めたコークスの層厚と成型炭の粉化率との関係に基づいて、目標とする粉化率以下にできるコークスの層厚以上になるように、前記コークスを装入することを特徴とする（１）に記載のコークス炉の原料装入方法。
（４）前記装炭孔下部以外の位置でのコークスの層厚が、その位置から最も近い装炭孔下部のコークスの層厚よりも薄くなるように、前記装炭孔下部に前記コークスを集中配置させることを特徴とする（１）から（３）の何れか１つに記載のコークス炉の原料装入方法。
（５）前記コークスの最大粒径は、前記成型炭の最大粒径よりも小さいことを特徴とする（１）から（４）の何れか１つに記載のコークス炉の原料装入方法。

本発明のコークス炉の原料装入方法を用いることで、従来のコークス炉を用いながら、先にコークス炉に装入したコークスによる緩衝作用により、成型炭に作用する落下衝撃を緩和できる。これにより、コークス炉装入時の落下衝撃による成型炭の粉化を抑制でき、この結果、コークス強度の低下を抑制できる。

本実施形態に係るコークス炉の原料装入方法で成型炭およびコークスが装入される前の状態の一例を示す室炉式コークス炉の断面図である。 本実施形態に係るコークス炉の原料装入方法でコークスが装入された後の状態の一例を示す室炉式コークス炉の断面図である。 本実施形態に係るコークス炉の原料装入方法で、成型炭およびコークスが装入された後の状態の一例を示す室炉式コークス炉の断面図である。 コークス層の層厚と、強度の異なる成型炭ごとの成型炭の粉化率との関係を示すグラフである。 本実施形態に係るコークス炉の原料装入方法で、コークスが装入された後の状態の他の例を示す室炉式コークス炉の断面図である。

本発明では、コークス炉にコークスを装入して、コークス炉の炉底にコークスを配置した後に、コークスの原料である成型炭をコークス炉に装入する。すると、コークス炉の炉底に配置したコークスが緩衝材として機能し、成型炭の落下時の衝撃を緩和できる。これにより、成型炭の落下時の粉化を抑制できることを見出して本発明を完成させた。以下に、本発明の実施形態を通じて本発明を説明する。

図１は、本実施形態に係るコークス炉の原料装入方法で成型炭およびコークスが装入される前の状態の一例を示す室炉式コークス炉の断面図である。コークス炉１０は、天井１２の上に設けられた４個の装炭ホッパー１４を有する。成型炭１８およびコークス２０は、４個の装炭ホッパー１４からコークス炉１０の炭化室１６に装入される。成型炭およびコークスが装入される前においては、炭化室１６は空の状態である。装炭ホッパー１４の上側には成型炭１８、下側にはコークス２０が配置されている。なお、図１に示した例においてコークス炉１０は、４個の装炭ホッパー１４を有する例を示したが、装炭ホッパーの数は４個に限られず、４個未満であってもよく、また、４個より多くてもよい。また、成型炭１８は、原料炭の一例である。

図２は、本実施形態に係るコークス炉の原料装入方法でコークスが装入された後の状態の一例を示す室炉式コークス炉の断面図である。４個の装炭ホッパー１４は、天井１２に設けられた装炭孔２２に接続されており、装炭孔２２を通じてコークス２０および成型炭１８を装入する。装炭ホッパー１４から成型炭１８が炭化室１６に装入される際、まず、装炭ホッパー１４の下側に配置されたコークス２０が炭化室１６に装入される。これにより、コークス炉１０の炉底２４にコークス２０が配置され、当該配置されたコークスによって、コークス層２６が形成される。

図３は、本実施形態に係るコークス炉の原料装入方法で、成型炭およびコークスが装入された後の状態の一例を示す室炉式コークス炉の断面図である。装炭ホッパー１４からコークス２０が炭化室１６に装入された後、装炭ホッパー１４の上側に配置された成型炭１８が炭化室１６に装入される。成型炭１８は、装炭孔２２から炉底２４へ落下するが、炉底２４にはコークス層２６が形成されているので、当該コークス層２６の緩衝作用により、成型炭１８が受ける落下衝撃が緩和される。これにより、成型炭１８が、当該落下衝撃によって粉化することを抑制できる。さらに、このコークス層２６による緩衝作用は、成型炭１８によって炉底２４に与える衝撃も緩衝するので、炉底２４が例えば、レンガ等の耐火物で形成されている場合に、当該衝撃による当該レンガの損傷をも抑制できる。

コークス層２６のコークス２０は、成型炭１８の落下衝撃を受けて動く。成型炭の落下衝撃は、当該コークス２０が動くことによって緩和されると考えられるので、コークス２０を動きやすくするために、コークス２０の粒径は、成型炭１８の粒径以下にすることが好ましい。なお、コークス２０の粒径および成型炭１８の粒径はともに、当該粒径に対応した大きさの目開き径の篩を用いて篩下に篩分けされる粒径である。例えば、粒径１０ｍｍとは、目開き１０ｍｍの篩で篩下に篩分けされる粒径をいう。このように測定した粒径を基準として、例えばコークス２０の最大粒径が成型炭１８の最大粒径よりも小さくなるようにしてもよいし、コークス２０の重量平均粒径が成型炭１８の重量平均粒径よりも小さくなるようにしてもよい。

また、炭化室内に一定量の成型炭１８が装入されると、コークス層２６による緩衝作用は、その後に装入される成型炭１８には作用しなくなるが、積み重なった成型炭１８により落下距離が短くなり、成型炭１８が受ける落下衝撃は小さくなるとともに、積み重なった成型炭１８が新たな緩衝作用を生み出す。このため、コークス層２６の上側に成型炭１８が一定量装入された後においても、成型炭１８が受ける落下衝撃は上昇しない。

成型炭１８が炭化室１６に装入された後、炭化室１６内で成型炭１８が乾留され、成型炭１８はコークス化される。コークス化された成型炭１８は、炉蓋２８を開放した後、押出し機３０によって押出されて炭化室１６から排出される。

このように、本実施形態に係る原料装入方法を実施することで、成型炭１８が受ける落下衝撃を緩和でき、成型炭の粉化を抑制できる。これにより、当該粉化によって成型炭における一般炭、非微粘結炭が成型炭外に放出されることを抑制でき、この結果、コークス強度の低下を抑制できる。

また、上述したように、コークス層２６による緩衝作用は、成型炭１８によって炉底２４に与える衝撃も緩和するので、コークス炉１０の炉底２４の損傷を抑制できる。炉底２４の損傷は、炭化室１６内で製造されたコークスと炉底２４との摩擦力を増大させ、押出し機３０によるコークスの押出し性を悪化させる。このため、本実施形態に係る原料装入方法を実施することで、コークスの押出し性悪化も抑制できる。

また、本実施形態に係る原料装入方法は、成型炭１８のバインダー添加量を増やすことなく成型炭１８の粉化を抑制できるので、成型炭製造の原材料コストを増加させない。むしろ、落下衝撃が緩和されることによって、必要となる成型炭１８の強度の閾値が下がるので、バインダー添加量減による成型炭原材料のコストダウンが可能となる。

また、本実施形態に係るコークス炉の原料装入方法は、コークス炉１０にコークス２０を装入してコークス層２６を形成させる。一般的に、微粉炭と比較してコークスは熱伝導率が高いので、コークス２０を装入したことで熱伝導率が悪化し、乾留時間が増大することがない。

さらに、本実施形態に係るコークス炉の原料装入方法は、どのようなコークス炉の装炭装置において適用できるので、現有のコークス炉の炉形状および装炭装置を改造することなく適用できる。さらに、本実施形態に係るコークス炉の原料装入方法は、コークス炉に鞍部材を設けなくてよいので、当該鞍部材に成型炭１８が詰まることによる閉塞が発生するおそれもない。

なお、図１に示した例においては、装炭ホッパー１４の上側に成型炭１８を配置し、下側にコークス２０を配置して、同じ装炭ホッパー１４を用いてコークス２０と成型炭１８とを炭化室１６に装入する例を示したが、これに限られない。例えば、別の装入装置を用いて、成型炭１８よりも前に炭化室１６にコークス２０を装入してもよく、また、コークス炉１０に設けられた押出し機３０を用いて炭化室１６にコークスを装入してもよい。

また、原料炭として、成型炭１８を用いた例を示したが、これに限られず、成型炭１８に代えて成型炭１８を含む配合炭を用いてもよい。本発明の効果が落下時における成型炭１８にかかる落下衝撃を、コークス層２６を用いて緩和させることであり、多くの成型炭の落下衝撃を緩和できることから、成型炭を含む配合炭を用いる場合においては、配合炭の全質量に対して成型炭１８を６０質量％以上の割合で含むことが好ましく、７０質量％以上の割合で含むことがさらに好ましい。ここで、成型炭以外の配合炭とは、粒径３ｍｍ以下の石炭粒子の含有量が成型炭以外の配合炭全体の７０〜８５質量％程度含む粒度分布を持つ粉状の石炭である。一般に、配合炭中における成型炭の比率が高くなると、乾留速度が速くなり生産性が向上することが知られている。しかし、成型炭の比率が高いと成型炭以外の粉状の配合炭が減るため、落下衝撃により成型炭が破壊されやすくなる。従って、本実施形態に係る原料装入方法は、配合炭に占める成型炭の比率が高い場合において特に顕著な効果を発揮する。

次に、コークス層２６の層厚と、成型炭１８の粉化率を確認した結果について説明する。図４は、コークス層の層厚と、強度の異なる成型炭ごとの成型炭の粉化率との関係を示すグラフである。図４において、横軸はコークス層厚（ｍｍ）であり、縦軸は粉化率（質量％）である。また、図４の三角プロットは低強度の成型炭のコークス層厚と粉化率との関係を示し、菱形プロットは中強度の成型炭のコークス層厚と粉化率との関係を示し、四角プロットは高強度の成型炭のコークス層厚と粉化率との関係を示している。図４に示した例において、低強度成型炭の平均圧潰強度は１．１ｋＮであり、中強度成型炭の平均圧潰強度は１．９ｋＮであり、高強度成型炭の平均圧潰強度は２．３ｋＮであった。なお、圧潰強度は、圧縮試験機を用いて圧縮速度１ｍｍ／ｍｉｎで各成型炭を圧縮して測定される最大強度である。

粉化率の確認は、縦４４ｍｍ、横４４ｍｍ、高さ３８ｍｍのマセック型の成型炭を、天井１２と、炉底２４との距離である８ｍの高さから、最大粒径３ｍｍの粉コークスを敷いたレンガ面上に落下させ、落下によって粉化した成型炭の質量の割合を測定することで実施した。ここで、成型炭の粉化率は、落下させた成型炭質量に対する落下後の成型炭のうち目開き５．６ｍｍの篩で篩下に篩分けされた粉の質量の割合（質量％）である。レンガ面上に敷いた粉コークスの質量をあらかじめ測定しておき、成型炭を落下させた後の成型炭と粉コークスの混合物を目開き５．６ｍｍの篩で篩分けした篩下の質量から粉コークスの質量を差し引いた質量を、成型炭から発生した粉の質量として求めた。

図４から、コークス層２６の層厚を厚くすることで、成型炭１８への落下衝撃が緩和されて粉化率が低下、すなわち、落下の衝撃で粉化した粉の割合が少なくなることがわかる。一方、コークス層２６の層厚が２０ｍｍ未満となる領域では、層厚が厚くなるとともに粉化率は低下するが、層厚が２０ｍｍ以上となる領域では、粉化率の低下度合は小さくなる。
この結果から、コークス炉１０の炉底２４に形成されたコークス層２６の層厚が２０ｍｍ以上になるようにコークス２０を装入することが好ましいことがわかる。なお、炉底２４におけるコークス層２６の層厚を２０ｍｍ以上としてもよいが、コークス層２６は、成型炭１８が装入され落下する位置で当該成型炭の衝撃を緩和することから、少なくとも装炭孔２２の下部におけるコークスの層厚を２０ｍｍ以上とすればよい。また、コークス炉１０におけるコークス層２６の層厚の上限としては、コークス層２６の層厚を１０００ｍｍ以下にすることが好ましい。コークス層２６の層厚を１０００ｍｍより厚くすると、乾留する成型炭１８の装入量が少なくなるので好ましくない。

また、成型炭の強度に着目すると、成型炭の強度が低くなると、コークス層の層厚が同じであっても粉化率は高くなる。しかし、いずれの強度の成型炭でもコークス層厚が２０ｍｍ以上の領域では粉化率がほぼ一定となった。従って、成型炭の強度によらず、コークス層厚を２０ｍｍ以上とすることが好ましいことがわかる。なお、図４には示していないが、平均圧潰強度が０．５ｋＮの成型炭でも同様の傾向であった。

コークス層厚は、成型炭の強度に応じて、目標とする粉化率以下になるように定めてもよい。ある強度の成型炭について、あらかじめ実験等により、図４のようなコークス層厚と粉化率との関係を求めておけば、その関係に基づいて好ましい粉化率となるコークス層厚を決めることができる。例えば、図４の中強度成型炭（菱形プロット）を用いる場合で、目標とする粉化率が１０質量％以下である場合には、コークス層厚を１０ｍｍ以上にすればよいことがわかる。

異なる強度を有する複数の成型炭のそれぞれについて、あらかじめコークス層厚と粉化率の関係を求めておけば、コークス製造に用いる成型炭の強度を測定することで、目標とする粉化率にできる好ましいコークス層厚を決定できる。ここで、成型炭の強度としては、圧縮試験で求められる成型炭の圧潰強度や、トロンメル強度などを指標として用いることができる。

上述したように、成型炭と粉状炭との比率は、乾留して生成されるコークスの強度に影響する。このため、好ましい粉化率の値は、例えば、あらかじめ種々の粉化率の条件で成型炭を乾留して生成したコークスの強度を求めておけば、その強度が望ましい値より大きくなるように決めることができる。例えば、成型炭中に粘結性の劣る石炭を多く配合する場合は、成型炭の粉化量が大きいとコークスの強度が大きく低下するので、好ましい粉化率は小さめに設定するのがよい。また、粉化率によってコークス炉の生産性も変化するので、目標とする生産性が得られるように好ましい粉化率の値を決めることもできる。

図５は、本実施形態に係るコークス炉の原料装入方法で、コークスが装入された後の状態の他の例を示す室炉式コークス炉の断面図である。図５に示した例において、装炭孔の下部３２ａ〜３２ｄ以外の位置３４におけるコークス層２６の層厚が、その位置３４から最も近い装炭孔の下部３２ｃのコークス層２６の層厚よりも薄くなるように、コークス層２６を集中配置している。このように、コークス層２６を集中配置することによって、コークス２０の装入量を減らし、成型炭１８の装入量を増やしつつ、成型炭１８の落下衝撃を緩和させることができる。なお、図５に示した例において、装炭孔の下部３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄにおけるコークス層２６の層厚を、２０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下とすることで、成型炭１８の落下衝撃を緩和でき、成型炭１８の粉化を抑制できる。

１０ コークス炉
１２ 天井
１４ 装炭ホッパー
１６ 炭化室
１８ 成型炭
２０ コークス
２２ 装炭孔
２４ 炉底
２６ コークス層
２８ 炉蓋
３０ 押出し機
３２ａ 装炭孔の下部
３２ｂ 装炭孔の下部
３２ｃ 装炭孔の下部
３２ｄ 装炭孔の下部
３４ 位置

Claims (4)

1. コークス炉に原料炭を装入する際、コークス炉の炉底にコークスを配置した後に、前記原料炭である成型炭または成型炭を含む配合炭を前記コークス炉に装入するコークス炉の原料装入方法であって、
   前記コークス炉に前記原料炭を装入する装炭孔下部における前記コークスの層厚が、あらかじめ実験により求めたコークスの層厚と成型炭の粉化率との関係に基づいて、目標とする粉化率以下にできるコークスの層厚以上になるように、前記コークスを装入することを特徴とするコークス炉の原料装入方法。
2. 前記コークス炉に前記原料炭を装入する装炭孔下部における前記コークスの層厚が２０ｍｍ以上になるように前記コークスを装入することを特徴とする請求項１に記載のコークス炉の原料装入方法。
3. 前記装炭孔下部以外の位置でのコークスの層厚が、その位置から最も近い装炭孔下部のコークスの層厚よりも薄くなるように、前記装炭孔下部に前記コークスを集中配置させることを特徴とする請求項１または請求項２の何れか一項に記載のコークス炉の原料装入方法。
4. 前記コークスの最大粒径は、前記成型炭の最大粒径よりも小さいことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載のコークス炉の原料装入方法。

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