TW201418445A - 焦炭及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明之焦炭的特徵係將無灰煤2~8%混合至煤炭行乾餾所構成，煤炭與無灰煤之混合物的最高流動度MF值(log(ddpm))為1.8~3.0。藉由無灰煤一邊填補黏結性一邊將其添加率抑制在8%以下，利用以煤炭確保在全體的流動度，阻止因無灰煤所引起之體積破壞及結晶的發達阻礙，能夠產生大顆粒的焦炭。

Description

焦炭及其製造方法

本發明係關於使用於高爐法製鐵之焦炭及其製造方法，特別是關於調配有以溶劑萃取處理煤碳所獲得之無灰煤的焦炭。

對使用於高爐法製鐵的焦炭，為了確保在高爐內不容易被壓潰的一定機械性強度、反應性、視密度、以及通氣性，被要求必要的塊體大小、分佈等的各種特性。適合於這些特性的焦炭的原料，一般被稱為原料炭，使用黏結性、流動性或煤化程度處於一定的範圍之品質高、且較一般的鍋爐用燃料煤炭更昂貴的煤炭之強黏結煤。這種的強黏結煤係在400℃前後軟化熔融而形成黏稠的液體並熔著，又因內包有氣體而膨脹，故能有效地填補煤炭粒子間的間隙，且促進粒子間的接著，而能夠產生強力的焦炭。但在近年，資源量的逼迫、價格的高漲為原因，實施了各種技術開發，亦即，嘗試了將更廉價且品質較差的煤炭用於作為焦炭的原料，例如，在強黏結煤調配有更多的低階煤之技術。

非微黏結煤這樣的低階煤，由於流動度較強 黏結煤低且黏結性差，故，阻礙煤炭粒子間的接著，造成缺陷密度變高而使焦炭的強度降低。因此，為了填補黏結性，揭示了添加來自於石油的黏結材之瀝青(ASP)、由以有機溶劑萃取出煤炭的可溶成分所構成之無灰煤(超優煤；HPC)之焦炭的技術。尤其是無灰煤作為低階煤的有效利用，被開發了各種的技術。例如，在專利文獻1揭示有對包含低階煤的煤炭添加無灰煤之焦炭的技術，當添加5~10%的無灰煤時能夠獲得高強度的焦炭。

[先行技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2009-221361號公報

由於無灰煤係流動度較原料煤(未改質的煤炭)高，故，焦炭藉由添加更多的無灰煤，即使調配有較多的低階煤也能成為高強度的構造。但，使用於高爐之焦炭，不僅是強度，亦被要求顆粒大小均等。然而，當焦炭被添加較多的無灰煤時，會混合較小顆粒焦炭而產生之傾向。因此，前述專利文獻1仍有需要改良之處。

又，一般會考量因焦炭爐構造上的問題造成在焦炭的品質(強度、粒徑、氣孔率等)產生參差不齊。由 於焦炭爐是從爐壁側傳熱，故中心部的溫度低，在乾餾過程中之有效的加熱時間變短。又，因焦炭爐在高度方向有壓力分佈，所以，大的荷重會施加在焦炭爐的下部，使得原料煤等(裝入煤)不易膨脹，而在上部自由膨脹。其結果，會因焦炭爐的內部之位置，造成在所生成的焦炭品質上產生參差不齊。

本發明係是有鑑於前述問題點而開發完成的 發明，其目的在於提供既可抑制強黏結煤的調配，又為大顆粒且具有充分的強度之品質均等的焦炭及其製造方法。

為了解決前述課題，本發明者們發現焦炭藉由體積破壞可使顆粒變小，檢討體積破壞的產生之結構，聯想到藉由添加多量的無灰煤來產生體積破壞。因此，本發明者們將無灰煤的添加量最佳化，藉由煤碳確保在全體的流動度。

亦即，本發明之焦炭的特徵係將混合了可由可溶於煤炭的溶劑之成分所組成的無灰煤2~8%與煤炭之煤炭混合物進行乾餾所構成，前述煤炭混合物的最高流動度MF值(log(ddpm))為1.8~3.0。

如此，藉由添加流動度較煤炭(原料煤)高的無灰煤，填補了進行焦炭形成所必要之黏結性，提高焦炭的強度，又在乾餾過程，無灰煤以較煤炭更低的溫度流動而在焦炭爐內使煤炭粒子均等地結合，且藉由高膨脹性，填 充煤炭粒子間的空隙，因此，可將焦炭的品質均等化，且藉由將無灰煤的添加量及裝入煤之煤炭混合物全體的平均最高流動度作成在適當範圍，能夠增大焦炭的粒徑。

又，製造本發明之焦炭的方法，係進行將無 灰煤2~8%與煤炭混合，作成為最高流動度MF值(log(ddpm))為1.8~3.0之煤炭混合物的混合製程；及將前述煤炭混合物予以乾餾之乾餾製程。

藉由以此順序進行，使得焦炭的製造方法在 混合製程，依據可預先算出的最高流動度之平均值來選擇原料煤，與無灰煤一同調配混合，在乾餾製程進行乾餾，藉此可製造具有充分的強度且均等大顆粒之焦炭。

若依據本發明之焦炭，既可抑制原料成本又可成為充分的強度及粒徑。又，若依據本發明之焦炭的製造方法，能夠從例如低階煤製造無灰煤，減低原料成本，且能夠以簡單的製造方法，不受焦炭爐的內部之位置所影響而可均等地製造具有充分的強度及粒徑的焦炭。

詳細地說明關於本發明之焦炭及其製造方法。

[焦炭]

本發明之焦炭係為了製造生鐵投入至高爐者，以如後 述之一般的條件將對煤炭混合無灰煤之煤炭混合物進行乾餾而獲得。以下，說明關於作為焦炭的原料之煤炭及無灰煤。

(煤炭)

煤炭係如後述，適用：在與無灰煤之平均上，最高流動度MF值成為預定範圍內的品質者1種或2種以上。尤其是在適用僅其本身則不易作為焦炭原料之被分類成弱黏結煤、非微黏結煤這樣的低階煤之情況，作為焦炭原料，併用一般所使用的強黏結煤、準強黏結煤等。再者，所謂低階煤一般是指最高流動度MF值(log(ddpm))2.0以下、平均最大反射率Ro值1.1以下之煤炭。最高流動度MF值係顯示熱流動性，平均最大反射率Ro值係顯示煤化程度。在本發明之焦炭，雖依據各煤炭有所不同，弱黏結煤、非微黏結煤等在亦包含無灰煤的配合比上，作為乾燥煤最大調配50%左右。煤炭可藉由風乾等作成乾燥煤，但亦可在包含水分的狀態下與無灰煤混合、乾餾。

煤炭理想是作成為粉碎成細微之粒狀，具體而言，該煤炭的80%以上為粒徑3mm以下的粒狀為佳。在本說明書中所稱的粒徑係指顆粒的最大長度，80%以上為粒徑3mm以下的顆粒係指當將煤炭倒在網眼尺寸3mm的篩子時，80%以上通過網眼之意。再者，例如粒徑3mm以下的煤炭係意指將粉碎後的粉碎煤以網眼3mm以下的篩子(金屬製網篩；規格號碼JIS Z 8801-1(2006))進行篩 選時掉落到篩子下的粉末、顆粒等。這樣的煤炭係在製造方法詳細地說明，可預先予以粉碎或亦可與無灰煤混合並加以粉碎。

(無灰煤2~8%)

無灰煤係為了用來將煤炭作為資源加以有效利用而進行改質的一種改質煤，開發作為用來作為燃料之高效率利用。無灰煤為從煤炭盡可能地除去灰分及非溶解性煤炭成分之改質煤，藉由以與煤炭親和性高的溶劑萃取該煤炭，能夠獲得從灰分等的不溶解成分分離之萃取液，再由該萃取液，藉由蒸餾法、蒸發法等除去溶劑而加以製作。這樣的無灰煤係可使用習知的方法加以製作(例如，參照日本專利第4045229號公報)。因此，無灰煤實質上不含灰分，含有大量具有可溶於溶劑的軟化性熔融性之有機物，在構造上具有從縮和芳香環2、3環的較低分子量的成分到5、6環左右的高分子量成分之寬廣分子量分佈。又，無灰煤係由於在萃取、分離前的煤炭與溶劑的混合物(漿體)的狀態下被脫水，故，水分減少至0.2~3質量%左右，具有充分的發熱量。因此，無灰煤在加熱下呈現高流動性，不受其原料之煤炭的品味(grade)所影響，一般在200~300℃熔融(具有軟化熔融性)。在本發明，關於作為無灰煤的原料之煤炭不限其品質。又，為了提高焦炭的強度，無灰煤係盡可能小的顆粒狀為佳，具體而言，粒徑(最大長度)1mm以下為佳。

如此，無灰煤係含有大量的揮發分，具有優 良的熱流動性且黏結性高，因此，能夠填補弱黏結煤、非黏結煤等的低階煤之黏結性。又，由於原料煤係以較原料煤低的溫度開始流動，故，藉由添加並分散於煤炭，在乾餾過程中的焦炭爐內，包含溫度上升緩慢的中心部也能均等地使煤炭粒子彼此直接地結合。且，由於無灰煤的膨脹性也較原料煤高，故，即使在會有大的荷重施加之焦炭爐的下部，無灰煤的粒子也會膨脹，填充煤炭粒子間的空隙，同時使膨脹壓產生而讓其他的煤炭粒子間結合。其結果，能夠減輕有可能成為焦炭的破壞起點之煤炭粒子間的接著不良(巨大的龜裂)、過度膨脹部(粗大的氣孔)等的缺陷產生，可抑制因焦炭爐的爐寬、高度方向等所引起之品質的參差不齊。無灰煤的添加率(調配比)係當與煤炭之混合物(煤炭混合物、裝入煤)未滿2%時，無法充分地獲得在調配低階煤之情況所需的黏結性、前述效果等。因此，無灰煤的添加率係2%以上，3%以上為佳。

另外，由於無灰煤多數是將廉價的低階煤予 以改質而製造，故，藉由如此的煤化程度低之原料煤，使得所產生的焦炭(碳素)比起因煤化程度高的強黏結煤等所產生的碳素，結晶的發達小(碳素網面構造的擴散、厚度等小)。又，隨著無灰煤變多而焦炭之無灰煤的連續相變大，當變得過大時，連續相本身會成為破壞的起點。再者，除了這種的體積破壞外，在焦炭的破壞上還有表面破壞，在作為焦炭的強度指標主要使用之圓筒指標(drum index ；DI)，不易呈現體積破壞。當添加大量的無灰煤時，焦炭的粒徑不易變大，又反而造成強降低，當添加率超過8%時，此傾向變得顯著。因此，無灰煤的添加率係設為8%以下，6%以下為佳。如此，本發明之焦炭係藉由無灰煤的添加率抑制在一定值以下，某種程度是藉由原料煤(煤炭)原本的黏結性確保強度。

(最高流動度MF值(log(ddpm))：1.8~3.0)

煤炭與無灰煤之混合物(煤炭混合物)係當最高流動度MF值未滿1.8時，流動度會不足而所獲得的焦炭之強度變低。詳細而言，在最高流動度MF值未滿1.8之情況，流動性、膨脹性低之低階煤的調配變多，這樣的煤炭粒子在乾餾過程中不易與其他乾餾過程結合。因此，煤炭與無灰煤之混合物的最高流動度MF值設為1.8以上，理想為2.0以上。又，若最高流動度MF值為1.8以上，則容易確保膨脹性，由於在乾餾過程中煤炭粒子內包氣體而膨脹，故可有效地掩埋煤炭粒子間的間隙，進一步促進粒子間的接著，而產生強力的焦炭。另外，當最高流動度MF值超過3.0時，流動度變得過剩而會有在焦炭產生氣泡之虞。因此，煤炭與無灰煤之混合物的最高流動度MF值設為3.0以下，理想為2.6以下。煤炭與無灰煤之混合物的最大流動度MF值係作為對混合物所測定到的值，可依據JIS M8801，以基氏塑性計法(Gieseler Plastometer)加以測定。但，在各種的煤炭及無灰煤各自的最大流動度MF值 為已知之情況，亦可乘上調配比(質量%/(100%))後總和，算出近似值。

又，當煤炭與無灰煤之混合物的平均最大反 射率Ro值小時，煤化程度低，因此，在乾餾過程中煤炭、無灰煤的顆粒的膨脹、融合變得不充分，或焦炭基質的強度低，而無法獲得高強度的焦炭。煤炭與無灰煤之混合物的平均最大反射率Ro值係0.95以上為佳，更佳為1.0以上。另外，即使平均最大反射率Ro值太大，也不會因此造成焦炭的品質降低，但，由於最大反射率Ro值是依據強黏結煤的這種高階煤的增加而變大，強黏結煤的膨脹性也高，因此，當過剩地調配這樣的原料煤時，不僅原料成本變高，也會有膨脹壓過剩而焦炭爐的耗損變急劇之虞產生。具體而言，煤炭與無灰煤之混合物的平均最大反射率Ro值係1.3以下為佳，更佳為1.2以下。

(焦炭的製造方法)

本發明之焦炭的製造方法係進行對煤炭混合無灰煤之混合製程、和將前述煤炭進行乾餾之乾餾製程。以下說明關於各製程。

(混合製程)

混合製程是將煤炭與無灰煤混合而獲得煤炭混合物。調配及煤炭混合物之最高流動度MF值是如前述。又，此時，同時將這些予以粉碎為佳。由於煤炭的粉碎性較無灰 煤差，故，如前述般，當將80%以上粉碎成粒徑3mm以下的顆粒狀時，無灰煤同時也會被粉碎成粒徑1mm以下的顆粒狀。例如將煤炭及無灰煤分別自供料斗投入到習知的粉碎機，以一般方法一邊粉碎一邊攪拌，藉此，無灰煤的二次粒子容易被粉碎，煤炭亦被粉碎成顆粒狀。再者，混合的順序、方法等未特別限定，例如，亦可將預先粉碎後的無灰煤與煤炭予以混合。

(乾餾製程)

在本發明，乾餾的條件未特別限定，能夠採用使用焦炭爐之焦炭製造的一般的乾餾條件，例如，對一門可裝入30噸左右之室爐裝入前述煤炭混合物後進行乾餾。此時，藉由將煤炭混合物的填充密度提高後再裝入，能夠獲得高強度的焦炭，作成充填密度730kg/m³以上為佳。尤其是混合物全體之流動度低的煤炭混合物，藉由提高填充密度，能夠某種程度填補因低流動度所引起之強度不足，具體而言，最高流動度MF值未滿2.0之煤炭混合物係作成充填密度750kg/m³以上為佳。乾餾條件，理想為950℃以上，更理想為1000℃以上，又理想為1200℃以下，更理想為1050℃以下的溫度，又理想為8小時以上，更理想為10小時以上，理想為24小時以下，更理想為20小時以下。

[實施例]

其次，以實施例、比較例具體地說明關於本發明之焦炭及其製造方法。

(焦炭的製作)

(無灰煤的製造)

首先，在超優煤連續製造設備(Bench Scale Unit)藉由以下的方法製造無灰煤。

將澳洲產瀝青煤作為原料煤，將此原料煤5kg(換算成乾燥煤)與作為溶劑的4倍量(20kg)之1-甲基萘(新日鐵化學社製)混合，調製漿體。將此漿體導入氮氣後加壓至1.2MPa，在內容積30L的分批式高壓減菌器中進行370℃、1小時之萃取處理。將此漿體在維持著相同溫度、壓力之重力沉降槽內分離成上澄清液與固形分濃縮液，從上澄清液以蒸餾法分離、回收溶劑，獲得2.7kg的無灰煤。所獲得的無灰煤係灰分0.9質量%，最高流動度MF值(log(ddpm))及平均最大反射率Ro值則如表1所示。將此無灰煤粉碎成其100%(全體)的粒徑(最大長度)成為3mm以下。

(混合製程)

將前述無灰煤及表1所示的特性之各種煤炭分別調整成水分7.5質量%，以乾燥煤基準，藉由表2所示的調配比加以混合。再者，表1所示的煤炭及無灰煤之最高流動度MF值(log(ddpm))是依據JIS M8801以基氏塑性計法 (Gieseler Plastometer)加以測定。平均最大反射率Ro值是依據JIS M8816進行測定。又，關於混合物，從各種煤炭及無灰煤各自的調配比算出最高流動度MF值及平均最大反射率Ro值，並顯示於表2。又，煤炭是混合粉碎成其100%為粒徑3mm以下者。

(乾餾製程)

將前述混合物(裝入煤)排列置入到鋼製的蒸餾器，對此蒸餾器賦予振動而調整成表2所示的填充密度後，置入到雙面加熱式電爐，在氮氣流中進行乾餾而製作試料。乾餾條件係以3℃/分鐘進行升溫並在1000℃加熱20分鐘，然後，將蒸餾器從電爐中取出並自然放冷。又，作為評價基準，不調配非黏結煤且不添加無灰煤，以最高流動度MF值高的煤炭製作試料(No.20)。

[評價]

(強度)

表2顯示作為焦炭的強度之圓筒指標指數DI¹⁵⁰ ₁₅。詳細而言，以JISK2151為準則，將試料在滾筒旋轉150次後，以網眼15mm的篩子進行篩選，算出殘存的重量比。強度的合格基準係設為DI¹⁵⁰ ₁₅：84.8%以上。再者，藉由後述的方法，使用測定粒度分佈後的試料，測定焦炭強度。

(平均粒徑)

將焦炭以擋門裝置掉落2次、以滾筒測試機施加旋轉30次的衝擊。對於施加了此衝擊的焦炭，使用網眼為100，75，50，38，25，15mm平方的篩子，測定粒度分佈，以下述的式子(1)算出平均粒徑。再者，不論哪一個試料均未成為網眼100mm平方的篩子上之焦炭。將所算出的平均粒徑顯示在表2。合格基準是作成為平均粒徑45.0mm以上。

平均粒徑(mm)=(87.5×M_75-100+62.5×M_50-75+44.0×M_38-50+31.5×M_25-38+20.0×M_15-25+7.5×M_15<)/M_ALL．．．(1)

M_75-100：75mm篩子上的焦炭重量

M_50-75：75mm篩子下到50mm篩子上的焦炭重量

M_38-50：50mm篩子下到38mm篩子上的焦炭重量

M_25-38：38mm篩子下到25mm篩子上的焦炭重量

M_15-25：25mm篩子下到15mm篩子上的焦炭重量

M_15<：15mm篩子下的焦炭重量

M_ALL：篩選後的焦炭重量之總和(=M_75-100+M_50-75+M_38-50+M_25-38+M_15-25+M_15<)

如表2所示，得知未添加無灰煤而調配有非 黏結煤之試料No.1，2，16，17係強度不足，又顆粒小的焦炭多且平均粒徑不足。無灰煤的添加率不足的試料No.3，4也同樣地，強度及平均粒徑不足。

相對於此，無灰煤的添加率及混合物的最高 流動度MF值為本發明的範圍之試料No.5~13，18，19，雖其流動度較試料No.20低，但成為具有充分的強度及粒徑之焦炭。特別是無灰煤的添加率4~6%的試料No.8~11，19係成為與試料No.20相同程度的大粒徑之焦炭。又，試料No.16~19由於調配有較多的流動度低之非黏結煤，故，混合物的流動度也低，但添加無灰煤且提高混合物的填充密度並進行乾餾之試料No.18，19，成為具有充分的強度及粒徑之焦炭。另外，無灰煤的添加率過剩之試料No.14，15，即使其混合物的流動度與試料No.5~13相同或較高，其強度及粒徑的尺寸也不足。

以上，以實施形態及實施例詳細地說明關於本發明，但本發明的主旨不限於前述內容，其權利範圍係應依據申請專利範圍中的記載廣泛地解釋。又，本發明的內容能依據前述記載予以廣泛地改變變更。

Claims (2)

1. 一種焦炭，係將混合了由煤炭之可溶於溶劑的成分所構成的無灰煤2~8%與煤炭的煤炭混合物予以乾餾而形成的焦炭，其特徵為：前述煤炭混合物係最高流動度MF值(log(ddpm))為1.8~3.0。
2. 一種焦炭的製造方法，係進行：將無灰煤2~8%與煤炭混合而作成最高流動度MF值(log(ddpm))1.8~3.0之煤炭混合物的混合製程；及將前述煤炭混合物進行乾餾之乾餾製程。