JP7385129B2 - コークスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、コークスの製造方法、特に、コークス製造時における付着カーボンの増大を抑制する技術に関するものである。

コークス炉で石炭を乾留すると、炭化水素系のガス（つまり、石炭ガス）が発生する。石炭ガスは炭化室の上部空間を通過して上昇管から炉外に排出され、後処理工程へ送られる。炭化室の上部空間は高温雰囲気であるため、石炭ガスの熱分解反応が進行して、炭化室の内壁等に、いわゆる付着カーボンが生成される。付着カーボンの厚みが過度に増大すると、炭化室の容積の減少により生産性を低下させるだけでなく、コークスを炭化室から押し出す際の押出負荷が増大する等、コークス炉の安定操業を阻害する原因となる。

具体的には、付着カーボンの厚みが増大すると、コークスケーキの押し出し時に上側にせり出したコークスケーキが付着カーボンと接触して押出負荷が増大する。また、押し出し機のラムはコークスケーキよりも高さ方向のサイズが大きいため、押し出し時にラムと付着カーボンとが干渉して、押出負荷が増大する。

付着カーボンの成長を抑制する方法として、特許文献１には、炭化室の上部空間内にＣＯ_２及びＨ_２Ｏの少なくとも１つを含むガス（例えば、燃焼排ガス）を吹き込み、このガスに含まれるＣＯ_２、Ｈ_２Ｏと付着カーボンとの吸熱反応により上部空間の温度を低下させて、付着カーボンの成長を抑制する方法が記載されている。

また、近年、ＣＯ_２を削減する観点から、間伐材等のバイオマス資源の有効活用が望まれている。特許文献２には、石炭とバイオマスの混合物を成型し、成型物を竪型シャフト炉内で乾留するコークスの製造方法が記載されている。

特開平３－２１２４８６号公報 特開２００２－１２９１６７号公報

特許文献１の方法では、炭化室の上部空間に向かって燃焼排ガスを吹き込む設備が必要となるため、コストが増大する。また、燃焼排ガスには多量の窒素が含まれているため、効率的に付着カーボンの増大を抑制することができない。燃焼排ガスからＣＯ_２を分離して、この分離したＣＯ_２を吹き込む方法も考えられるが、コストが増大する。したがって、低コストかつ効率的に付着カーボンの成長を抑制する手段が求められている。

特許文献２は、石炭とバイオマスの混合物の成型物を竪型シャフト炉内で乾留するコークスの製造方法であり、石炭の熱分解が始まるまでに成型炭を多孔質で低密度なものに変化させるためにバイオマスを利用しており、コークス炉の付着カーボンの成長を抑制する手段としてのバイオマスの利用に関するものではない。

本発明は、バイオマスを利用した低コスト及び簡便な手段で付着カーボンの成長を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るコークスの製造方法は、コークス炉の炭化室に装入された石炭を乾留することにより、コークスを製造するコークスの製造方法であって、前記炭化室の内部に、石炭を装入する第１ステップと、前記第１ステップの後に、前記炭化室における空きスペースにバイオマスを装入する第２ステップと、を有することを特徴とする。

（２）コークス炉の火落ちから押し出しまでの置時間に、前記第２ステップを行うことを特徴とする上記（１）に記載のコークスの製造方法。

（３）前記第２ステップにおいて、前記第１ステップで装入された石炭の上にバイオマスを装入することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のコークスの製造方法。

（４）バイオマスの装入量は、石炭１００質量％に対して、外数で５質量％以下であることを特徴とする上記（１）乃至（３）のうちいずれか一つに記載のコークスの製造方法。

本発明によれば、石炭の装入後、炭化室の空きスペースにバイオマスを装入しているため、バイオマスから発生した熱分解ガスにより付着カーボンの成長を抑制できる。燃焼排ガスを吹き込むための設備等は不要であるため、低コストかつ簡便な方法により、付着カーボンの成長を抑制することができる。また、バイオマスを有効活用することができる。

コークス炉の一部における概略図である。 バイオマスを装入する装入装置の概略図である。 他の装入方法によって装入されたバイオマスの装入位置を示したコークス炉の一部における概略図である。

図１は、本発明の一実施形態であるコークスの製造方法に用いられるコークス炉の一部における概略図である。同図を参照して、コークス炉は、炭化室１、上昇管２、接続管３及びドライメーン４を備える。炭化室１の上部には、複数の装炭口１１～１４が設けられており、これらの装炭口１１～１４を介して図示しない装炭車から炭化室１の内部に石炭を装入することができる。また、これらの装炭口１１～１４は、後述するバイオマスを装入するときの装入口としても用いられる。

上昇管２は、炭化室１の上壁部に接続されており、乾留時に石炭から発生した石炭ガスを炭化室１の外部に排出する。上昇管２は、Ｌ字状に折れ曲がった接続管３を介してドライメーン４に接続されている。ドライメーン４は炭化室１の並設方向に延びており、各炭化室１から排出された石炭ガスをガス搬送設備に移送する。

本発明者は、炭化室１の上部空間にバイオマスＢを装入することにより、炭化室１の内壁部における付着カーボンの成長を抑制できることを発見した。すなわち、炭化室１で乾留されたコークスＣの上にバイオマスＢを装入することにより、付着カーボンの成長を抑制できることを発見した。バイオマスＢには、農業系（麦わら、サトウキビ、米糠、草木等）のバイオマス、林業系（製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪炭林等）のバイオマス、畜産系（家畜廃棄物）のバイオマス、水産系（水産加工残滓）のバイオマス、廃棄物系（生ゴミ、ＲＤＦ（ゴミ固形化燃料；Refused Derived Fuel）庭木、建設廃材、下水汚泥）のバイオマスなどを用いることができる。

バイオマスＢの長さ（最大長）は、炭化室１の装炭口１１等の口径、装入装置の仕様により制限されるが、例えば２～４００ｍｍのバイオマスＢを用いることができる。

バイオマスＢは、石炭と同様にＣ、Ｈ、Ｏを含有しているが、石炭と比較してＨ及びＯの含有率が高く、熱分解時にＨ_２Ｏ及びＣＯ_２を多量に含むガス（以下、バイオマス熱分解ガスと記載する場合がある）が発生する。バイオマス熱分解ガスは、炉壁に付着したカーボンと反応し、この反応は吸熱反応であるため、炭化室１の上部空間における雰囲気温度を下げることができる。これにより、石炭ガスの熱分解反応を抑制できるため、付着カーボンが成長することを抑制できる。

ここで、特許文献２に開示されるように、石炭とバイオマスとを混合して、コークス炉に装入すると、付着カーボンの成長を抑制する効果が著しく低下する。その理由は、バイオマスから発生したバイオマス熱分解ガスが付着カーボンに到達する前に石炭と反応して消費されるからである。つまり、付着カーボンの成長を抑制する効果は、石炭とバイオマスとを分離させた状態で乾留することにより、効果的に発現する。

なお、廃プラスチックを炭化室に装入する技術が知られているが、廃プラスチックはＯの含有量が極めて低いため、バイオマスＢに代えて廃プラスチックを装入しても、付着カーボンの成長を抑制することができない。

次に、バイオマスの装入方法について説明する。図２は、バイオマスを装入する装入装置の概略図である。同図を参照して、ホッパー２１は図示しない装入車に設けられており、ホッパー２１の下部には、上下２段のシールバルブ２３、２４を備えたホッパー２２が設けられている。ホッパー２２には、不活性ガス供給管２５及びガス放出管２６が接続されており、ホッパー２２の下部には装炭口１１にセット可能なシュート２８が設けられている。なお、シュート２８がセットされる装炭口は、装炭口１１に限定するものではなく、バイオマスの装入位置に応じて適宜変更することができる。

ホッパー２１には、バイオマスＢが貯留されており、シールバルブ２３を開くことにより、貯留されたバイオマスＢがホッパー２２に導入される。ホッパー２２にバイオマスＢが所定量導入されると、シールバルブ２３を閉じ、供給管２５から非酸化性ガス（例えば、窒素ガス）を導入しながら、シールバルブ２４を開く。シールバルブ２４を開くと、ホッパー２２からバイオマスＢが筒状シュート２８を介して、炭化室１の内部に大気遮断下で装入される。

図１に図示するように、コークスＣの上にバイオマスＢを装入する場合には、炉長方向に並ぶ炭化室１１～１４の夫々から略同一量のバイオマスＢを装入すればよい。

次に、バイオマスＢを炭化室１に装入する装入タイミングについて説明する。バイオマスＢは、火落ちから押出しまでの置時間（約２時間）に装入するのが好ましい。ここで、火落ちとは、炭中温度が９００～９５０℃で、コークスから発生するガスの熱量が急激に低下する時点のことである。炭中温度とは、コークスケーキの炉幅方向の略中央における温度のことである。火落ちは、コークス製造プロセスにおける操業基本指標であり、例えば、コークスから発生するガスのガス温度を連続的に測定して、温度が極大値に達した時点を火落ちとすることができる。ガス温度は、例えば、上昇管２に設けられた図示しない温度計によって測定することができる。火落ちは、炭化室１毎に監視することができる。

バイオマスＢは、石炭と比較して嵩比重が小さいため、多量に装入すると、炭化室１に装入する石炭が減り、コークスの生産量が低下する。したがって、バイオマスＢの装入量の上限値は、コークスの必要生産量を考慮して設定するのが好ましい。一例を示すと、炭化室１に装入される石炭１ｔあたり、５０ｋｇ以下に制限するのが好ましい。これを外数で言い換えると、石炭１００質量％に対して、５質量％以下に制限するのが好ましい。

バイオマスＢの装入量の下限値は、特に限定しないが、一例を示すと、炭化室１に装入される石炭１ｔあたり、５ｋｇ以上に設定するのが好ましい。これを外数で言い換えると、石炭１００質量％に対して、０．５質量％以上に設定するのが好ましい。

（変形例）
上述の実施形態では、コークスＣの上にバイオマスＢを装入したが、炭化室１の内部においてコークスＣとバイオマスＢとが分離した状態であれば、他の装入方法であってもよい。すなわち、バイオマスＢは、石炭が装入されていない炭化室１の空きスペースにおける任意の位置に装入することができる。図３は、他の装入方法によって装入されたバイオマスＢの装入位置を示したコークス炉の概略図である。

同図を参照して、バイオマスＢは、水平方向においてコークスＣの隣接した位置に装入されている。ここで、バイオマスＢは、コークス炉の炉長方向における上昇管２の反対側から装入するのが好ましい。この場合、バイオマスＢから発生したバイオマス熱分解ガスを、炭化室１における上昇管２の反対側から上昇管２側（図３では、左側から右側）に向かって炭化室１の上部空間を移動させることができる。これにより、炭化室１の炉長方向全長に亘ってバイオマス熱分解ガスを流すことができるため、付着カーボンの成長を効果的に抑制することができる。

図１に示す装入方法にしたがって、炭化室に装入されたコークスの上にバイオマスを装入した。バイオマスには、木材を使用した。装入時期は、火落ちの３０分後とした。木材の装入量は２００ｋｇとした。石炭と木材の装入比率は、石炭に対して１質量％（外数）とした。火落ちの２時間後に押し出し機のラムを伸長して、コークスケーキを炭化室から押し出した。

バイオマス装入からコークスケーキ押し出し前までの炉頂空間温度を測定した後、測定した炉頂空間温度の平均温度を算出し、バイオマスを装入しない場合と比較した。なお、バイオマスを装入したコークスを「コークス（実施例）」、バイオマスを装入していないコークスを「コークス（比較例）」と称するものとする。炉頂空間温度は、上昇管基部に設けられた温度計によって測定した。バイオマスを装入することにより、炉頂空間温度が約５０℃低下した。

また、コークス（実施例）及びコークス（比較例）のドラム強度（ＤＩ^１５０ _１５）を比較したところ、５窯の平均で、実施例は８５．０、比較例も８５．０であり、ほぼ同じであった。

コークス（実施例）及びコークス（比較例）の製造をそれぞれ複数回実施し、それぞれのコークス製造時における押出負荷を測定した。押出負荷は、押し出し時にラムに加わる力（トン）の最大値とした。バイオマスを装入することにより、押出負荷を５～１０％程度下げることができた。

１ 炭化室 ２ 上昇管 ３ 接続管 ４ ドライメーン
１１～１４ 装炭口

Claims (3)

1. コークス炉の炭化室に装入された石炭を乾留することにより、コークスを製造するコークスの製造方法であって、
   前記炭化室の内部に、石炭を装入する第１ステップと、
   前記第１ステップの後に、前記炭化室における空きスペースにバイオマスを装入する第２ステップと、を有し、
   前記空きスペースは、前記第１ステップで装入された石炭の直上を避けた前記炭化室の空きスペースであることを特徴とするコークスの製造方法。
2. コークス炉の火落ちから押し出しまでの置時間に、前記第２ステップを行うことを特徴とする請求項１に記載のコークスの製造方法。
3. バイオマスの装入量は、石炭１００質量％に対して、外数で５質量％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のコークスの製造方法。