JP7456560B1 - 焼結用炭材、焼結鉱及び焼結用炭材の製造方法 - Google Patents

Abstract

焼結鉱の製造において、環境負荷の低減を図ると共に、焼結鉱の歩留まりの低下及び設備トラブルを抑制できる焼結用炭材、焼結鉱及び焼結用炭材の製造方法を提供する。鉄鉱石の焼結プロセスに使用される焼結用炭材であって、配合材として石炭及びバイオマス炭を有し、乾留後の前記石炭及び前記バイオマス炭の固定炭素に対する前記バイオマス炭の固定炭素の割合（質量％）は０より大きく３０質量％以下であり、乾留後の揮発分含有量が５．０質量％以下である。

Description

本発明は、鉄鉱石の焼結プロセスに使用される焼結用炭材、焼結鉱及び焼結用炭材の製造方法に関する。

鉄鉱石の焼結プロセスは、焼結機内において、鉄鉱石である鉄源と、フラックスや石灰石等の副原料と、固体燃料としての焼結用炭材とを混合した焼結用原料を、焼結用炭材の燃焼熱を用いて焼き固めるプロセスである。焼結用炭材としては、粉コークスが一般的に使用されるものの、原料炭の価格変動やコークス製造設備のトラブル等の発生のリスクを考慮し、粉コークス以外の無煙炭等を使用することもある。

他方、近年の環境保全の意識の高まりを受け、環境負荷の低減を踏まえ焼結用炭材の多様化が進んでおり、焼結用炭材としてバイオマス由来の炭材（以下、「バイオマス炭」という。）の利用が注目され始めている。バイオマス炭は、大気中の炭酸ガスを吸収しながら成長した植物を原料とする。即ち、カーボンニュートラルの考え方から、バイオマス炭を用いた燃料は、燃焼による炭酸ガスの排出量は無いものとして評価される。このため、焼結用炭材として従来から使用されている粉コークスの代替として、バイオマス炭の使用も検討され始めている。

ここで、特許文献１には、コークス炉炭化室において、コークス製造用装入炭の上部又は底部に、１０ｍｍ以下が８０質量％となるように粉砕された亜瀝青炭あるいは褐炭を装入して乾留する方法が開示されている。そして、同文献に、亜瀝青炭や褐炭の一部として廃プラスチックや木質系バイオマスを混入させることが可能との事項も開示されている。

特許第５５３２５７４号公報

バイオマス炭は、燃焼開始温度の低さに特徴を有している。バイオマス炭は、焼結プロセスで一般的に使用されている化石燃料由来の粉コークスと比較して、多孔質であることから表面積が広い。そのため、燃焼開始温度が低い状態であっても、大気との接触面積が広く、速い燃焼速度が得られる。

焼結用炭材の燃焼反応は、気固反応となる。また、焼結用炭材は、周囲の気体中の酸素と反応して燃焼する。そして、焼結プロセスのように気体が流れている条件での気固反応においては、焼結用炭材の表面に薄い層であるガス境膜と呼ばれる領域が発生する。ガス境膜は、外側の気体の乱流の影響を受けることなく、層流が維持される。焼結用炭材は、ガス境膜の外側からガス境膜内へ酸素が侵入して拡散し、焼結用炭材の表面に達することで燃焼する。

ここで、焼結用炭材の燃焼速度が速い場合、周囲の酸素濃度が高い場合であっても、ガス境膜内の酸素の拡散による酸素供給速度に対し、焼結用炭材の燃焼による表面での酸素消費速度が速くなり、ガス境膜内における酸素濃度が低下する。この結果、焼結用炭材は不完全燃焼を起こし、一酸化炭素の発生量が増加する。

つまり、焼結用炭材の燃焼速度が速い場合には、焼結用炭材の燃焼熱の一部が一酸化炭素として排出されるため、焼結プロセスに供される反応熱が減少する。即ち、焼結原料（鉄源及び副原料）を焼き固める燃焼熱が不足し、焼結鉱の製造における歩留まりの低下を招く。このため、燃焼速度の速いバイオマス炭を焼結用炭材として使用する際には、焼結原料を焼き固める燃焼熱の不足に伴い、焼結鉱の歩留まりが低下するといった問題がある。

更に、バイオマス炭は、熱反応によって副生成物である多量のタールを生成（揮発）する。生成（揮発）したタールは、焼結機内において、配管内や除塵用に備えたフィルター、ブロワーのインペラ等に付着するため、設備トラブルを招くといった問題もある。

本発明は、かかる事情を鑑みてなされたもので、焼結鉱の製造において、環境負荷の低減を図ると共に、焼結鉱の歩留まりの低下及び設備トラブルを抑制できる焼結用炭材、焼結鉱及び焼結用炭材の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の要旨構成は以下のとおりである。
［１］鉄鉱石の焼結プロセスに使用される焼結用炭材であって、配合材として石炭及びバイオマス炭を有し、乾留後の前記石炭及び前記バイオマス炭の固定炭素に対する前記バイオマス炭の固定炭素の割合（質量％）は０より大きく３０質量％以下であり、乾留後の揮発分含有量が５．０質量％以下である、焼結用炭材。
［２］［１］に記載の焼結用炭材を用いて製造された、焼結鉱。
［３］鉄鉱石の焼結プロセスに使用される焼結用炭材の製造方法であって、石炭及びバイオマス炭を配合材とする塊成物を形成し、前記塊成物について、窒素雰囲気下において１０００℃以上の温度にて６時間以上保持して乾留する、焼結用炭材の製造方法。
［４］前記乾留はコークス炉にて実施される、［３］に記載の焼結用炭材の製造方法。

本発明によれば、焼結鉱の製造において、環境負荷の低減が図れると共に、焼結鉱の歩留まりの低下及び設備トラブルを抑制できる。

以下、本発明の実施形態を通じて本発明を説明する。

鉄鉱石の焼結プロセスに使用される焼結用炭材は、石炭及びバイオマス炭を配合材とする。粉コークスや無煙炭等からなる石炭のみとする従来の配合に対し、部分的にバイオマス炭による代替（配合）を行うことで、石炭の相対的な使用を削減し、環境負荷の低減が可能となる。

そして、焼結用炭材は、乾留後の石炭及びバイオマス炭の固定炭素に対するバイオマス炭の固定炭素の割合（質量％）を０より大きく３０質量％以下とする。ここで、「固定炭素」は、石炭及びバイオマス炭を配合材とする塊成物を乾留した後において、当該塊成物に含まれる炭素の成分を意味する。バイオマス炭の配合の割合を多くするほど石炭の相対的な配合の割合が減少して、環境負荷の低減を図ることができるものの、燃焼速度の速いバイオマス炭が多くなることで、焼結鉱の歩留まりが低下する。このため、バイオマス炭の固定炭素の割合（質量％）を０より大きく３０質量％以下とすることで、焼結鉱の歩留まりの低下を抑制できる。そして、焼結鉱の歩留まりの低下の抑制を踏まえ、バイオマス炭の固定炭素の割合の最大化を図ると共に、石炭の固定炭素の割合の最小化を図り、二酸化炭素の排出量の削減を最大化できる。

ここで、バイオマス炭は、原料である植物の維管束に由来する多量の細孔が残存し、細孔には空気中の水分等が吸着している。そして、焼結プロセスにおける熱反応により、細孔に残された水分等の揮発に伴い、副生成物である多量のタールも揮発する。このため、予め、焼結用炭材として石炭及びバイオマス炭を配合して塊成物を形成した後、塊成物を乾留して、バイオマス炭に含まれる水分等の揮発分を完全に除去しておく必要がある。しかし、バイオマス炭に内在する細孔は複雑かつ多量に構成されていることから、乾留により完全に揮発分を除去することは困難である。

このため、焼結用炭材は、石炭及びバイオマス炭を配合した塊成物の乾留を、乾留後の焼結用炭材の揮発分含有量（質量％）が５．０質量％以下となるまで実施する。これにより、焼結用炭材を焼結プロセスに使用したとしても、熱反応に伴う水分等の揮発が抑えられ、タールの揮発も抑えることができる。この結果、タールの付着等に起因する設備トラブルを抑制できる。

鉄鉱石の焼結プロセスに使用される焼結用炭材の製造方法は、先ず、石炭及びバイオマス炭を配合材とする塊成物を形成する。そして、塊成物について、窒素雰囲気下において１０００℃以上の温度にて６時間以上保持して乾留する。乾留は、コークス炉にて実施してもよい。焼結用炭材の乾留をコークス炉にて実施することで、焼結用炭材の乾留を実施する特別な設備を設ける必要が無くなり、設備コスト低減の効果が得られる。

鉄鉱石の焼結プロセスは、焼結機を用いて行う。焼結プロセスは、先ず、鉄鉱石である鉄源にフラックス等の副原料及び焼結用炭材を加えた焼結用原料を、焼結機上に連続的に装入して焼結ベッドを形成する。そして、焼結ベッドの上端の焼結用炭材を点火した後、下端から排ガスを吸引することで、焼結用炭材の燃焼が焼結ベッドの上端から下端へ伝播し、その燃焼熱によって鉄源と副原料との燃焼反応が発生し、焼結用原料が焼き固められる。焼結ベッドの下端からの排ガスの吸引は、ブロワーを用いて行われる。吸引された排ガスは、ブロワーを介してダクト内を流通し、集塵機や、脱硫設備、脱硝設備等を経て、煙突から排出される。

以下、本実施形態に係る焼結用炭材及び焼結用炭材の製造方法を用いて行った実施例を説明する。

＜実施例１＞バイオマス炭として、ウッドチップのバイオマス材（以下、「バイオマスＡ」という。）、及び、ヤシ種殻のバイオマス材（以下、「バイオマスＢ」という。）を用意し、各々石炭と所定の割合で配合して乾留炉（コークス炉）にて乾留を行い、焼結用炭材を製造した。乾留は、窒素雰囲気下において、１０００℃以上の温度にて６時間以上保持する条件で実施した。乾留後の石炭及びバイオマス炭の固定炭素に対するバイオマス炭の固定炭素の割合（質量％）、及び、焼結用炭材の揮発分含有量（質量％）は、ＪＩＳ規格「石炭類及びコークス類の工業分析法」（ＪＩＳ Ｍ８８１２）に基づいて測定した。

次に、焼結プロセスとして、鉄鉱石（鉄源）及び石灰石（副原料）と、製造した焼結用炭材及び返鉱とを混合し、一定の水分を添加して造粒した。そして、造粒して得られた焼結用原料について、焼結鍋試験装置に装入して焼結試験を行った。焼結鍋試験装置は、直径を３００ｍｍとし高さが６００ｍｍである焼結鍋と、点火炉と、風箱やブロワー等の排ガス設備とを有する。焼結鍋試験装置では、焼結用原料の原料層の上層から燃焼反応を進行させ、燃焼反応が原料層の下層に到達して焼成を終了させるように、焼結機実機を模擬した試験が可能である。そして、焼結試験では、装入された焼結用原料を焼結して焼結鉱とした後、当該焼結鉱を２ｍの高さから４回落下させる落下試験を実施した。落下後の焼結鉱については、５ｍｍ以上の大きさを留めている焼結鉱を成品とし、当該成品の割合を成品歩留（％）として評価した。更に、成品歩留（％）の評価について、７０％以上である場合に「良（○）」とし、６５％以上７０％未満である場合に「普通（△）」とし、６５％未満である場合に「悪（×）」とする三段階の評価（歩留評価）を行った。なお、焼結用炭材にバイオマス炭を配合しない場合、成品歩留（％）は、多くの場合８０％前後の値を示す。

また、焼結鍋試験装置は、実機焼結機と同様にブロワーを備えている。このため、焼結試験終了後にブロワーにおけるタールの付着状態を確認し、排ガス設備評価として、清掃が必要又は設備トラブルを引き起こす状態となった場合に「悪（×）」とし、それ以外の状態である場合は「問題無し（○）」とする二段階の評価も行った。

表１及び２における比較例１及び６は、バイオマス炭を配合しない焼結用炭材を用いて焼結プロセスを行った実施例を示す。比較例５及び１０は、焼結用炭材としてバイオマス炭のみを用いて焼結プロセスを行った実施例を示す。このため、比較例５及び１０については、二酸化炭素の排出量を「０」としている。表１及び２におけるバイオマスＡ又はバイオマスＢの配合率（質量％）は、焼結用炭材が乾留される前の状態、つまり、石炭及びバイオマス炭を配合材とする塊成物を形成した状態における、塊成物の質量に対するバイオマス炭の質量の割合（質量％）を意味する。

表１に示す通り、バイオマス炭としてバイオマスＡ（ウッドチップ）を用いて、乾留後のバイオマスＡの固定炭素の割合を０より大きく３０質量％以下とする発明例１～３においては、歩留評価が「良（○）」となることが確認できた。この場合（発明例１～３）、二酸化炭素の排出量（ｋｇ－ＣＯ_２／ｔ－Ｓｉｎｔｅｒ）は、最大で２０％程度抑制できることが確認できた。また、発明例１～３においては、乾留後の揮発分含有量（質量％）が５．０質量％以下となることが確認できた。このため、発明例１～３は、何れも排ガス設備評価が「良（○）」となることが確認できた。

なお、乾留後のバイオマスＡの固定炭素の割合を４０質量％以上とする比較例２～５においては、歩留評価が「悪（×）」となることが確認できた。比較例２～４においては、歩留評価を「悪（×）」とする状態としつつも、焼結鉱の生産量を維持したため、二酸化炭素の排出量は増加した。そして、比較例２～５においては、乾留後の揮発分含有量（質量％）が５．０質量％を超えた値となっており、排ガス設備評価が「悪（×）」となることが確認できた。

また、表２に示す通り、バイオマス炭としてバイオマスＢ（ヤシ種殻）を用いて、乾留後のバイオマスＢの固定炭素の割合を０より大きく３０質量％以下とする発明例４～６においては、歩留評価が「良（○）」又は「普通（△）」となることが確認できた。この場合（発明例４～６）、二酸化炭素の排出量（ｋｇ－ＣＯ_２／ｔ－Ｓｉｎｔｅｒ）は、最大で１５％程度抑制できることが確認できた。また、発明例４～６においては、乾留後の揮発分含有量（質量％）が５．０質量％以下となることが確認できた。このため、発明例４～６は、何れも排ガス設備評価が「良（○）」となった。

なお、乾留後のバイオマスＢの固定炭素の割合を４０質量％以上とする比較例７～１０においては、二酸化炭素の排出量は減少したものの、歩留評価が「悪（×）」となることが確認できた。そして、乾留後の揮発分含有量（質量％）が５．０質量％を超えた値となっており、何れも排ガス設備評価が「悪（×）」となることが確認できた。

以上から、焼結プロセスに使用される焼結用炭材として、石炭及びバイオマス炭を配合材とする場合には、乾留後の石炭及びバイオマス炭の固定炭素に対するバイオマス炭の固定炭素の割合（質量％）を０より大きく３０質量％以下とし、かつ、乾留後の揮発分含有量（質量％）を５．０質量％以下とすることで、環境負荷の低減を図ると共に、焼結鉱の歩留まりの低下及び設備トラブルを抑制できることが確認できた。

＜実施例２＞バイオマス炭として、ウッドチップのバイオマス材（バイオマスＡ）を用意し、バイオマス炭（バイオマスＡ）の配合率（質量％）を３０％、石炭の配合率（質量％）を７０％として、塊成物を形成した。そして、乾留炉（コークス炉）において、窒素雰囲気下にて、温度及び乾留時間を変更する各条件で乾留を行った。乾留の際に、昇温速度及び降温速度は、１０℃／分とした。

乾留後の石炭及びバイオマス炭の固定炭素に対するバイオマス炭の固定炭素の割合（質量％）、及び、焼結用炭材の揮発分含有量（質量％）は、先の実施例と同じく、ＪＩＳ規格「石炭類及びコークス類の工業分析法」（ＪＩＳ Ｍ８８１２）に基づいて測定した。乾留後の焼結用炭材について、石炭及びバイオマス炭の固定炭素に対するバイオマス炭の固定炭素の割合（質量％）は、３０質量％であった。揮発分含有量（質量％）の評価について、５．０質量％以下である場合に「良（○）」とし、５．０質量％を超える場合に「悪（×）」とした。

バイオマスＡを用いた実施結果である表３に示す通り、バイオマス炭としてバイオマスＡを用いた場合（発明例７～８）、何れの実施例においても、１０００℃以上の温度にて６時間以上保持する条件で乾留を行うことで、乾留後の揮発分含有量（質量％）を５．０質量％以下にすることができた。

なお、乾留の条件として、温度を１０００℃未満とした場合、又は、乾留の保持時間を６時間未満とした場合（比較例１１～１４）には、乾留後の揮発分含有量（質量％）を５．０質量％以下にすることはできないことが確認された。

Claims (4)

1. 鉄鉱石の焼結プロセスに使用される焼結用炭材であって、
   配合材として石炭及びバイオマス炭を有し、
   乾留後の前記石炭及び前記バイオマス炭の固定炭素に対する前記バイオマス炭の固定炭素の割合（質量％）は０より大きく３０質量％以下であり、
   乾留後の揮発分含有量が５．０質量％以下である、
   焼結用炭材。
2. 請求項１に記載の焼結用炭材を用いて製造された、焼結鉱。
3. 鉄鉱石の焼結プロセスに使用される焼結用炭材の製造方法であって、
   石炭及びバイオマス炭を配合材とする塊成物を形成し、
   前記塊成物について、窒素雰囲気下において１０００℃以上の温度にて６時間以上保持して乾留する、
   焼結用炭材の製造方法。
4. 前記乾留はコークス炉にて実施される、請求項３に記載の焼結用炭材の製造方法。