TWI526529B

TWI526529B - 焦炭的製造方法

Info

Publication number: TWI526529B
Application number: TW102142330A
Authority: TW
Inventors: 土肥勇介; 深田喜代志; 松井貴; 本間道雄; 篠原将浩; 永山幹也
Original assignee: 杰富意鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2016-03-21
Also published as: JP2015147943A; WO2014080817A1; CN104781373B; US20150307785A1; CA2892336C; TW201425564A; CA2892336A1; EP2924095B1; TR201809960T4; US9701907B2; CN104781373A; KR20150069024A; EP2924095A1; EP2924095A4; KR101686759B1; JP5783338B2; JPWO2014080817A1

Description

焦炭的製造方法

本發明是有關於一種焦炭的製造方法，藉由將調配煤(mixed coal)裝入至煉焦爐(coke oven)中進行乾餾來製造焦炭。

通常，在煉焦爐中，伴隨著老化的推進，會產生各種操作故障。在此類操作故障中，無法將已製造的焦炭排出至爐外的「排出不暢」是極其嚴重的操作故障。其理由在於，當產生「排出不暢」時，會迫使焦炭的製造時程(production schedule)發生變更，因而焦炭的製造量減少，並且會導致爐體的損傷，因此煉焦爐的壽命縮短。

「排出不暢」的產生機制大概如下。在通常的室爐(chamber oven)式煉焦爐的操作中，裝入至炭化室內的調配煤是藉由來自與炭化室鄰接的燃燒室的熱而自爐壁側起依次受到乾餾，而不斷生成焦炭餅(coke cake)。通常，焦炭餅自身會藉由乾餾而收縮，因此在爐壁與焦炭餅的外表面之間形成間隙(以下記作餘隙(clearance))。藉由形成餘隙，使得焦炭餅排出(推出)至爐外變得容易。

然而，當由於焦炭餅的收縮不充分而未形成充分大的餘隙時，在推出焦炭餅時，爐壁與焦炭餅的外表面之間的摩擦阻力增大，藉此產生「排出不暢」。而且，當爐壁表面的凹凸大時亦是同樣，爐壁與焦炭餅的外表面之間的摩擦阻力增大，藉此產生「排出不暢」。

爐壁表面的凹凸是藉由伴隨著煉焦爐的老化的推進而產生的爐壁磚的磨損或脫落、以及附著於爐壁上的碳(carbon)的成長等的影響而增加。因此，「排出不暢」的產生頻率會伴隨著煉焦爐的老化而不可避免地增加。由於如此背景，在老化的煉焦爐的操作中，藉由實施各種對策來使得「排出不暢」的產生頻率降低。

作為使「排出不暢」的產生頻率降低的對策，濕煤操作為最簡單且有效的方法而被廣泛採用，該濕煤操作是使調配煤的水分含量不使堆裝於堆貨場(yard)的狀態時的水分含量(根據時令或天氣而變動，大概為8質量%-14質量%)過於下降而進行操作。藉由使調配煤的水分含量增加，使得調配煤的裝入體積密度(bulk density)下降，餘隙增加，由於上述等的理由，故而可降低推出時的爐壁與焦炭餅的外表面之間的摩擦阻力，降低「排出不暢」的產生頻率。

具體而言，在專利文獻1中記載有一種技術：使用煤(coal)濕度調節設備調整調配煤的水分含量之後，利用煉焦爐對調配煤進行乾餾。詳細而言，該技術是根據預先測定的調配煤的水分含量與餘隙的關係，求出為了確保所需的餘隙所必需的調配煤的目標水分含量。並且，該技術藉由控制煤濕度調節設備的熱輸入量以使煤濕度調節設備的輸出側的調配煤的總水分含量達到目標水分含量，來降低「排出不暢」的產生頻率。

又，在專利文獻2中記載有一種技術：對煤塔內的煤局部地添加水，並經由裝煤車將添加有水的煤裝入至炭化室，該煤塔是對將煤裝入至炭化室的裝煤車供給煤。根據該技術，使與其他煤相比已提高水分含量的煤偏向存在於炭化室內的一部分，藉此可提昇已提高水分含量的煤部分中的焦炭的收縮率而增大餘隙，從而降低「排出不暢」的產生頻率。

如上所述，在降低「排出不暢」的產生頻率的方面，有效的是增加調配煤的水分含量。另一方面，在多數煉焦爐中，為了提高焦炭強度等，在調配煤的預處理步驟中導入有使用濕度調節設備或預熱設備而使調配煤的水分含量下降的步驟。但是，伴隨著煉焦爐的老化，降低「排出不暢」的產生頻率是操作的最優先考慮的項目。

因此，即使欲提高焦炭強度亦無法降低調配煤的水分含量，調配煤的水分含量存在增加的傾向。另一方面，為了穩定地操作使用藉由煉焦爐而製造的焦炭的高爐，必須確保高爐內的透氣性及透液性，且強度優異、特別是藉由日本工業標準(Japanese Industrial Standards，JIS)K 2151的旋轉強度試驗法所測定的旋轉強度優異的焦炭是必不可少的。由於如此背景，已提出有提高焦炭強度的技術。

關於提高焦炭強度的技術，大致劃分可分類成預處理技術、調配技術、以及乾餾技術。其中，預處理技術可進行設備設計，以使得不會導致調配煤的成本增加，且不會受到煉焦爐的生產性的限制，因此尤其受到重視。若以對焦炭強度的處理的做法進行分類，則該預處理技術大體分為(1)提高調配煤的裝入體積密度的技術(以下記作技術(1))以及(2)使調配煤均質化的技術(以下記作技術(2))這兩種技術。

技術(1)的目的在於降低將調配煤裝入至煉焦爐時的煤粒子間的空隙，以使得對焦炭強度造成影響的氣孔缺陷的數目降低。作為技術(1)的方法，有將調配煤機械性壓密而裝入至煉焦爐的方法，可例示裝入一部分成型煤的方法或衝壓(stamping)法等方法。而且，亦有藉由降低調配煤的水分含量而降低煤粒子間的附著力來提高裝入體積密度的方法，可例示煤濕度調節法、預熱煤裝入法、粉煤預壓塊調配法(乾燥清潔及預壓塊系統(dry-cleaned and agglomerated precompaction system，DAPS))、新一代煉焦爐技術(SCOPE-21)等方法(參照非專利文獻1)。

與此相對，技術(2)的目的在於提高焦炭中的強度最弱的部分的強度。本來煤是由各種熱特性、機械特性不同的組織所構成，質地極不均勻。因此，由質地不均的煤所製造的焦炭的組織亦變得質地不均。另一方面，如焦炭般的脆性材料的強度通常是以最弱環節模型(weakest-link model)來說明，由材料內所存在的強度最弱的部分的強度來決定。因此，只要使焦炭的組織均質化，便使得焦炭內部的強度平均化，從而可提高強度最弱的部分的強度，使焦炭整體的強度提高。

作為技術(2)的方法，有調整煤的粒度的方法(參照非專利文獻1)。調整煤的粒度的方法的基本目的在於，將煤粉碎得微細而使焦炭的組織均質化。又，亦已知有如下方法：藉由使用轉鼓混合機(drum mixer)等混煤機對煤進行處理，來提高煤的混合度而實現焦炭的組織的均質化(參照非專利文獻2)。但是，藉由先前的研究已確認，焦炭的製造製程中所使用的調配煤不必通過混煤機，而藉由換載於搬送途中的帶式輸送機(belt conveyor)等便可充分地混合(參照非專利文獻2)。因此，現在，不使用混煤機而實現焦炭的組織的均質化的煉焦工廠亦不少。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利第3985605號公報

[專利文獻2]日本專利第4830370號公報

[非專利文獻]

[非專利文獻1]阪輪等著，「煤與焦炭」，2002年，日本鋼鐵協會，東京

[非專利文獻2]大越等，「焦炭循環(coke circular)」，20卷，1971年，p.271

[非專利文獻3]山本等，「材料與製程」，20卷，2007年，p.876

[非專利文獻4]有馬孝，[鐵與鋼」，87卷，2001年，p.274

[非專利文獻5]窪田等，「鐵與鋼」，92卷，2006年，p.833

[非專利文獻6]上坊等，「材料與製程」，17卷，2004年，p.618

[非專利文獻7]佐藤等，「粉體工學會誌」，30卷，1993年，p.390

但是，在專利文獻1、專利文獻2所記載的技術或技術(1)、技術(2)中，存在如以下所示的問題。

專利文獻1所記載的技術是以為了抑制「排出不暢」的產生所必需的餘隙作為目標值，藉由控制調配煤的水分含量來控制餘隙。因此，專利文獻1所記載的技術在抑制「排出不暢」的產生的方面是有效的，但是無法抑制焦炭強度的下降。又，專利文獻2所記載的技術亦是同樣，藉由控制調配煤的水分含量來控制餘隙，因此無法抑制焦炭強度的下降。與此相對，技術(1)在提高焦炭強度的方面是有效的，但是使得餘隙縮小，因此無法抑制「排出不暢」的產生。實際上，當在爐齡超過40年的老化爐中降低調配煤的水分含量時，會頻頻產生「排出不暢」，從而無法穩定地對煉焦爐進行操作，因此即使犧牲焦炭強度，亦使調配煤的水分含量保持在高位而進行操作。

另一方面，技術(2)不僅對焦炭強度的提高有效，而且對餘隙的確保亦有效(參照非專利文獻3)。但是，在調配煤的水分含量高的狀態下，即使將調配煤粉碎而使粒徑變細，煤粒子亦會經由水而凝聚，形成準粒子(quasi-particle)，藉此粒徑擴大，因此藉由粉碎而獲得的均質化的效果減少。並且，調配煤中的準粒子的行為以及準粒子帶給焦炭強度的影響尚未充分弄清。因此，為了提高均質化的效果，要將何種準粒子破壞何種程度才可、以及破壞準粒子的適當方法尚不清楚。此外，技術(2)是使用轉鼓混合機等以對流混合為主要目的之混煤機對調配煤進行混合，因此煤粒子維持著經準粒子化的狀態而在宏觀上進行混合。因此，根據技術(2)，若微觀地進行觀察，則調配煤是以非均質的狀態而混合，無法使焦炭內部的強度平均化。

本發明是鑒於上述問題而開發的，其目的在於提供一種焦炭的製造方法，可製造強度高且自煉焦爐的推出性優異的焦炭。

本發明的發明者等人已潛心研究何種程度的等級(order)的調配煤的均質性會對焦炭強度造成影響。其結果為，本發明的發明者等人獲知，毫米(millimeter)等級的調配煤的均質性對焦炭強度造成影響的可能性大。所謂毫米等級的調配煤的均質性，是指如下看法：例如當著眼於每邊為數毫米的立方體的範圍時，若無論取該範圍內的何處，調配煤均為相同性狀，即認為調配煤的均質性高。

若多種煤粒子處於良好地混合的狀態，則調配煤的均質性變高，反之若多種煤粒子處於部分地偏向存在而存在的狀態，則調配煤的均質性變低。例如當調配煤中存在大量粒徑為數毫米的煤粒子時，在該粒子部分中，不能說多種煤粒子良好地混合，因此調配煤的均質性變低。又，當微粒的煤粒子已形成數毫米的大小的準粒子時，只要不是準粒子的內部的多種煤粒子良好地混合的狀態，調配煤的均質性即變低。

並且，自先前以來，一直著眼於煤粒子的大小會對焦炭強度造成影響，但本發明的發明者等人弄清了多個煤粒子凝聚而成的準粒子亦會對焦炭強度造成影響。此外，本發明的發明者等人已調查調配煤的水分含量與準粒子的形成狀況的關係。其結果為，本發明的發明者等人獲知，當調配煤的水分含量大於6[質量%]時，粒徑1[mm]以上的準粒子的重量比例增加，毫米等級的調配煤的均質性下降。

即，本發明的發明者等人弄清了對於伴隨著調配煤的水分含量的上升而產生的焦炭強度的下降，不僅對調配煤的裝入體積密度的下降有所幫助，而且對由準粒子的重量比例的增加所引起的毫米等級的調配煤的均質性的下降亦有所幫助。

根據上述見解而想到的本發明的焦炭的製造方法的特徵在於包括：製備步驟，對2種以上的煤進行調配而製備調配煤；攪拌混合步驟，藉由對上述調配煤進行攪拌混合，而使藉由煤粒子凝聚而形成的調配煤中的至少一部分準粒子碎裂；以及乾餾步驟，將攪拌混合後的調配煤裝入至煉焦爐中進行乾餾，藉此製造焦炭。

又，本發明的焦炭的製造方法如上述發明，其中上述製備步驟包括在調配2種以上的煤之前對上述2種以上的煤進行粉碎的步驟。

又，本發明的焦炭的製造方法如上述發明，其中上述製備步驟包括使上述2種以上的煤乾燥的步驟。

又，本發明的焦炭的製造方法如上述發明，其中對水分含量為6質量%以上的調配煤進行上述攪拌混合步驟。

又，本發明的焦炭的製造方法如上述發明，其中上述攪拌混合步驟包括使用混合裝置對調配煤進行攪拌混合的步驟，上述混合裝置具有如下攪拌混合性能，即，藉由以下所示的數式(1)而獲得的達成度在開始攪拌混合操作後經過60秒後達到0.6以上。

[數式1]達成度=(V_max-V(t))/(V_max-V_st)......(1)

達成度是根據混合物的明度(lightness)而算出的值，上述混合物是藉由將平均粒徑2.66μm的碳酸鈣95質量%與平均粒徑0.47μm的氧化鐵(III)5質量%裝入至混合裝置而進行攪拌混合操作所獲得。在數式(1)中，t表示開始攪拌混合操作後經過的時刻，V_max表示碳酸鈣的明度，V_st表示將碳酸鈣與氧化鐵(III)完全混合而成的混合物的明度，V(t)表示在時刻t的混合物的明度。

又，本發明的焦炭的製造方法如上述發明，其中上述攪拌混合步驟包括使用混合裝置對調配煤進行攪拌混合的步驟，上述混合裝置中，每單位混合容積(mixing volume)的所需動力為 1.0×10⁴W/m³以上。

根據本發明的焦炭的製造方法，可製造強度高且自煉焦爐的推出性優異的焦炭。

1‧‧‧小型模擬甑

2‧‧‧調配煤

2a、2b‧‧‧調配煤

3‧‧‧焦炭餅

4a、4b、5a、5b‧‧‧單種煤

6‧‧‧轉鼓混合機

11‧‧‧底板

12a、12b‧‧‧側板

13‧‧‧頂板

D‧‧‧間隙

H‧‧‧高度

L‧‧‧長度

W‧‧‧寬度

圖1是表示調配煤的水分含量與粒度分佈的關係的圖。

圖2A是用以說明將不含準粒子的單種煤(single coal)彼此加以混合時的調配煤的均質性的圖。

圖2B是用以說明將含有準粒子的單種煤彼此加以混合時的調配煤的均質性的圖。

圖3A是用以說明餘隙的評估方法的示意圖。

圖3B是用以說明餘隙的評估方法的示意圖。

圖4是表示用於製備調配煤的單種煤的水分含量與焦炭強度的關係的圖。

圖5是表示用於製備調配煤的單種煤的水分含量與餘隙的關係的圖。

圖6是表示粒徑1[mm]以上的粒子的重量比例與焦炭強度的關係的圖。

圖7是表示焦炭的光學組織的評估結果的圖。

圖8是表示混合機的攪拌混合時間與達成度的關係的圖。

圖9是表示60秒後的達成度與碎裂度的關係的圖。

圖10是表示每單位混合容積的所需動力與60秒後的達成度的關係的圖。

圖11是表示混合時的調配煤的水分含量與焦炭的轉鼓強度(drum index)的關係的圖。

本發明的發明者等人經潛心研究何種程度的等級的調配煤的均質性對焦炭強度造成影響，獲知毫米等級的調配煤的均質性對焦炭強度造成影響的可能性大。並且，本發明的發明者等人獲知，當調配煤的水分含量大於6[質量%]時，粒徑1[mm]以上的準粒子的重量比例增加，毫米等級的調配煤的均質性下降。

根據以上的見解，本發明的發明者等人想到藉由對調配煤實施可提高毫米等級的調配煤的均質性的攪拌混合操作，即使為相同的調配煤，亦可提高焦炭強度，從而完成本發明。以下，在詳細說明至想到本發明之前的研究流程之後，對本發明的一實施形態即焦炭的製造方法進行說明。

[調配煤的均質性與焦炭強度及餘隙的關係]

本發明的發明者等人已調查調配煤的水分含量與準粒子的形成狀況的關係。作為調配煤，是使用冶金用焦炭的製造中所使用的一般性狀的調配煤。將構成調配煤的四種單種煤(A煤至D煤)的性狀(平均最大反射率Ro[%]，吉澤勒流動度(Gieseler fluidity)logMF[log ddpm]、揮發分VM[質量%]、灰分Ash[質量%])以及調配率[質量%]與調配煤的平均性狀分別示於以下的表1及表2。平均最大反射率是根據JIS M8816而測定，吉澤勒最高流動度是根據JIS M8801而測定，揮發分以及灰分是根據JIS M8812而測定。揮發分以及灰分是乾基(dry basis)的值。

調配煤是粉碎製備成設想實際操作的粒度分佈(3[mm]以下：75[%]，3[mm]至6[mm]：15[%]，6[mm]以上：10[%]。分別為乾燥基準的質量%)。將調配煤加熱至107[℃]而使水分含量為0[質量%]之後，添加水分而使其溶合一晝夜，製備以下的表3所示的8個模式的水分含量(0[質量%]、4[質量%]、6[質量%]、7[質量%]、8[質量%]、9[質量%]、10[質量%]、12[質量%])的調配煤。其後，使用搖篩器(sieve shaker)將各調配煤篩5分鐘，測定粒度分佈。

在通常的調配煤的粒度分佈測定中，是使試樣乾燥，並使準粒子瓦解後篩分出來進行分析。與此相對，在本實驗中，是對添加水分之後生成的準粒子一方面施加固定的衝擊一方面篩固定時間，藉此測定未經該衝擊破壞的準粒子的粒度分佈。表3中一併表示粒度分佈的測定結果。並且，圖1表示調配煤的水分含量與粒度分佈的關係。

如表3及圖1所示，在調配煤的水分含量達到4[質量%]之前，與初始(水分含量為0[質量%])的粒度分佈相比並無大的變化，幾乎未觀察到大徑的粒子的重量比例增加的準粒子化。與此相對，自調配煤的水分含量大約大於6[質量%]開始，特別是粒徑1[mm]以上的準粒子的重量比例顯著增加，從而可確認準粒子化推進。

其次，本發明的發明者等人調查了考慮到準粒子的存在的調配煤的均質性與焦炭強度以及餘隙的關係。當考慮調配煤的均質性時，必須考慮調配煤中所含的準粒子中的煤品種及其粒徑。即，製備調配煤之前所形成的準粒子包含單一的煤品種。與此相對，製備後所形成的準粒子的內部則有可能存在多種煤品種，且多種煤品種某種程度相混合。

因此，為了調查準粒子的存在對調配煤的均勻性以及焦炭強度的影響，必須將包含單一的煤品種的準粒子加以混合而製備調配煤，評估由該調配煤所獲得的焦炭的強度。為了理想地進行該評估，必須使構成煤的單一的粒子或準粒子的粒徑相一致。但是，由於煤的質地不均，每個組織中粉碎性不同，故而難以使粒子的粒徑相一致。

因此，為了再現構成粒子不同的煤，準備僅水分含量不同的單種煤(水分含量：3[質量%]、4[質量%]、6[質量%]、8[質量%]、10[質量%])，為了將構成煤的單一的粒子或準粒子大致維持著其狀態而混合，向對流混合為主體的轉鼓混合機中投入以達到表1所示的調配率的方式而準備的單種煤之後，混合60秒。在該操作中確認到，混合前後的準粒子的粒度分佈幾乎無差異。混合後，以使所有的調配煤的水分含量達到10[質量%]的方式，且以不實施追加的混合操作(準粒子不變化)的方式，經噴霧而添加短缺的水分含量，並使其溶合一晝夜。

如圖2A所示，在使用對流混合為主體的轉鼓混合機6 且藉由混合不含有準粒子的單種煤4a、不含有準粒子的單種煤5a而製備的調配煤2a中，或圖2B所示，在使用對流混合為主體的轉鼓混合機6且藉由混合含有準粒子的單種煤4b、含有準粒子的單種煤5b而製備的調配煤2b中，未形成準粒子的單一粒子或準粒子良好地混合，在宏觀上可以說均質性高。但是，單一的準粒子包含大致單一的煤品種，準粒子的品質的差異大，若以準粒子的大小程度的範圍進行考慮，則調配煤的均質性低。

焦炭強度是藉由以下的順序來進行評估。將調配煤17.1[kg]以體積密度(乾燥重量基準)達到725[kg/m³]的方式而填充於乾餾罐內，在將10[kg]的重錘置於乾餾罐上的狀態下在爐壁溫度1050[℃]的電爐內乾餾6個小時之後，自爐中取出經氮氣冷卻而獲得焦炭。所獲得的焦炭的強度根據JIS K 2151的旋轉強度試驗法，測定以旋轉速度15[rpm]旋轉150次後的粒徑15[mm]以上的焦炭的質量比例，算出其與旋轉前的質量比×100作為轉鼓強度DI(150/15)。

餘隙是藉由以下的順序來進行評估。在圖3A、圖3B所示的餘隙測定用的小型模擬甑(retort)1內以體積密度(乾燥重量基準)達到775[kg/m³]的方式而填充調配煤2.244[kg]，在爐壁溫度1050[℃]的電爐內進行4小時20分鐘的乾餾之後，自爐中取出經氮氣冷卻而獲得焦炭餅。使用雷射測距儀(laser distance meter)測定所獲得的焦炭餅的一面與爐壁之間的間隙，算出間隙的平均值。並且，將間隙的平均值的兩面之和定義為餘隙。

圖3A、圖3B所示的小型模擬甑1包括：底板11，由磚形成；金屬製的一對側板12a、12b，立設於底板11上；以及頂板13，配設於一對側板12a、12b上，由磚所形成。如圖3A所示，調配煤2填充於由構成小型模擬甑1的板所形成的空間內，如圖3B所示，使用雷射測距儀測定藉由乾餾而獲得的焦炭餅3與一對側板12a、12b之間的間隙D。在本實施形態中，小型模擬甑1具有長度L：114[mm]×寬度W：190[mm]×高度H：120[mm]的尺寸。

以下所示的表4中表示焦炭強度以及餘隙的測定結果。又，圖4中表示用於製備調配煤的單種煤的水分含量與焦炭強度的關係，圖5中表示單種煤的水分含量與餘隙的關係。如圖4所示，在單種煤的水分含量達到6[質量%]之前，焦炭強度幾乎不變，當單種煤的水分含量大於6[質量%]時焦炭強度急遽下降。

在本實驗中，評估了由經調配的多種單種煤在準粒子內部未良好地混合的狀態的調配煤所獲得的焦炭強度。因此，對圖1與圖4進行比較，該圖1表示調配煤的水分含量與準粒子的關係，該圖4表示用於製備調配煤的單種煤的水分含量與焦炭強度的關係。其結果獲知，在焦炭強度下降的臨界點即水分含量6[質量%]以上時含有準粒子的粒徑1[mm]以上的粒子的重量比例顯著增加。為了使其更明確，將圖1所示的調配煤中的粒徑1[mm]以上的粒子的重量比例與焦炭強度的關係示於圖6。如圖6所示，在調配煤中的粒徑1[mm]以上的粒子的重量比例與焦炭強度之間已成立良好的相關關係。

由以上所述可認為，毫米等級的均質性(當著眼於例如每邊為數毫米的立體的範圍時，其內部是否處於良好地混合的狀態)影響焦炭強度的可能性大。另一方面，如圖5所示，關於餘隙，雖然伴隨著水分含量的下降，可觀察到若干擴大的傾向，但是幾乎無差異。根據該結果可認為，藉由破壞調配煤中所存在的內部未良好地混合的狀態的準粒子，可提高焦炭強度。而且顯示，餘隙的大小並不取決於準粒子的狀態，從而可認為即使破壞準粒子，焦炭的推出性亦無變化。

如上所述的焦炭強度的測定結果與調查焦炭強度與缺陷的關係的以往的研究結果亦相符。例如在非專利文獻4中記載有如下報告：根據成為焦炭的表面破壞的原因的缺陷的調查結果，毫米等級的尺寸的缺陷會引起表面破壞。又，在非專利文獻5中記載有如下報告：根據成為生成缺陷的主要因素的無效成分(inert)(未因加熱而軟化熔融的煤組織)的大小與焦炭強度的關係的調查結果，導致焦炭強度下降的無效成分的大小的臨界點為 1.5[mm]以上。

即，可認為毫米等級的均質性對焦炭強度造成影響的理由在於，當進行焦炭化時缺乏熔融性的如不黏結煤或弱黏結煤(non-or slightly-caking coal)般的低品質的煤粒子以毫米等級凝聚即準粒子化時，該準粒子部分如粗粒的無效成分般進行動作，在焦炭中形成未良好地黏結的毫米等級的部分、即毫米等級的尺寸的缺陷。

此外，對所獲得的焦炭的光學組織進行評估。將評估結果示於圖7。如圖7所示，在水分含量為6[質量%]以下的毫米等級的均質性高的調配煤中，鑲嵌(mosaic)狀組織發達。一般認為，光學組織與焦炭基質的強度的關係強，來源於活性成分的各向同性組織或鑲嵌狀組織的強度高(參照非專利文獻6)。因此可認為，對於伴隨著調配煤的均質化而產生的焦炭強度的提高，不僅減少毫米等級的尺寸的缺陷的效果有所幫助，而且鑲嵌狀組織發達的效果亦有所幫助。可認為鑲嵌狀組織伴隨著亦包含準粒子內部的調配煤的均質化(混合強化)而發達的理由在於，在形成有各向異性比較發達的組織的煤(通常為炭化度高的煤)與主要形成各向同性組織的煤(通常為炭化度低的煤)的接觸界面上所形成的鑲嵌狀組織伴隨著接觸界面的增加而增加。

[焦炭的製造方法]

本發明的發明者等人根據以上的調查及考察認為，藉由實施即使調配煤的水分含量為6[質量%]以上亦會提高毫米等級的均質性的操作，具體而言藉由實施攪拌混合操作來使準粒子碎裂，可抑制由調配煤的均質性的下降所引起的焦炭強度的下降。因此，本發明的發明者等人對可進行攪拌混合操作(剪切混合(shear mixing))的攪拌混合裝置及其攪拌混合性能進行評估，上述攪拌混合操作(剪切混合)是使水分含量為6[質量%]以上時所形成的粒徑1[mm]以上的準粒子碎裂並且均勻分散。

首先，本發明的發明者等人經反覆潛心研究，設計出將對具有1[mm]以上的粒徑的準粒子進行碎裂並且均勻分散的程度加以指標化的方法如下。

(1)準備塗佈有粉末狀的螢光塗料(新老海(Sinloihi)股份有限公司製，FX-305)的煤作為示蹤物(tracer)。示蹤物在紫外線照射下會發光。因此，在紫外線照射下使用數位相機對添加有一部分示蹤物並實施攪拌混合操作而成的調配煤進行拍攝，對所獲得的影像進行影像處理，藉此可使調配煤中的示蹤物的尺寸或分散狀態指標化。示蹤物可藉由在亮度或明度等影像資料上設定適當的臨限值，而在影像上容易地提取。本發明的發明者等人設定亮度的臨限值而提取示蹤物部分。

(2)作為示蹤物而塗佈有螢光塗料的煤亦包含經準粒子化的煤在內，以粒徑1[mm]以上的粒子的面積比例達到約5[%]的方式(以在紫外線照射下對調配煤的外觀進行拍照時粒徑1[mm]以上的螢光部分的面積比例達到約5[%]的方式)，而添加至調配煤。作為示蹤物而添加的煤的粒徑是採用以每2[°]對連接所提取的示蹤物部分的外周的2點且通過重心的直徑進行測定所得的平均值。調配煤的水分含量調整成10[質量%]。

(3)對添加有示蹤物的調配煤進行攪拌混合操作，在紫外線照射下對攪拌混合操作後的混合物進行拍攝，對影像進行影像處理，測定粒徑1[mm]以上的面積比例。藉由將測定值代入至以下所示的數式(2)，而算出碎裂度。數式(2)中的參數A是攪拌混合操作後的粒徑為1[mm]以上的面積比例，A₀是初始的粒徑為1[mm]以上的面積比例(約5[%])。即，藉由攪拌混合操作而使得準粒子越碎裂，碎裂度的值越高。

[數式2]碎裂度=1-A/A₀......(2)

上述方法是可直接觀察到包含塗佈有螢光塗料的煤的準粒子是否已碎裂的方法，與僅測定準粒子的粒度分佈的方法相比可更準確地評估準粒子的碎裂度。通常，在水分存在的條件下煤容易準粒子化，因此即使藉由混合後的處理(handling)或篩分，準粒子的構成亦有可能發生變化。因此，評估碎裂度時採用上述方法。

其次，本發明的發明者等人研究混合機的混合性能，採用由粉體工業技術協會所總結出來的評估方法即「藉由光學的方法而進行的粉粒體的混合度測定」(參照非專利文獻7)。以下，對其順序及評估方法進行詳細說明。在該評估方法中，作為共同粉體將暗紅色的氧化鐵紅(氧化鐵(III)、平均粒徑0.47[μm])5[質量%]及白色的碳酸鈣(平均粒徑2.66[μm])95[質量%]投入至混合機內而實施攪拌混合操作。

取出攪拌混合操作後的試樣，使用光度計(MSE股份有限公司製)測定試樣的明度。試樣中，隨著攪拌混合操作推進，氧化鐵紅的凝聚體慢慢地碎裂並且分散，作為整體的色調逐漸變紅。因此，藉由測定當前的明度相對於藉由乳缽而完全混合時的明度為何種程度，可判定攪拌混合已進展至何種程度，達成度可如以下所示的數式(3)般進行定義。

[數式3]達成度=(V_max-V(t))/(V_max-V_st)......(3)

數式(3)中的參數t表示自攪拌混合開始後的經過時間，V_max表示碳酸鈣的明度，V_st表示將碳酸鈣及氧化鐵(III)加以完全混合而成的混合物的明度，V(t)表示在時刻t的混合物的明度。

在非專利文獻7所記載的評估方法中，使用各種混合機進行上述評估，並根據混合時間與達成度的曲線的形狀將混合機分類成3種模式。在對流混合為主體的A類型的混合機中，曲線成為向下凸出的曲線。與此相對，在剪切混合為主體的B類型的混合機中，曲線成為向上凸出的曲線。又，在對流混合與剪切混合複合地發生的C類型的混合機中，曲線成為A類型的混合機的曲線與B類型的混合機的曲線的中間曲線。該曲線的形狀是藉由長時間的攪拌混合操作而獲得，在60秒左右的攪拌混合操作下，達成度低而幾乎不變的可以說是A類型的混合機，達成度達到0.6以上的可以說是B類型的混合機，其中間可以說是C類型的混合機。

本發明的發明者等人使用類型不同的混合機，對添加有示蹤物的調配煤進行60秒的攪拌混合處理，評估碎裂度。將混合機的攪拌混合時間與達成度的關係示於圖8。圖8所示的混合機A是先前類型的轉鼓混合機，分類為A類型。另一方面，混合機B是C類型的混合機，混合機C至混合機E是B類型的混合機。並且，將60秒後的達成度與碎裂度的關係示於圖9。

如圖9所示，可確認，碎裂度在達成度為0.4至0.6的範圍內大幅變化。即，可知，調配煤的毫米等級的均質化所必需的混合性能是60秒後的達成度為0.6以上，較佳為0.7以上，且具有此種混合性能的適合的混合機是剪切混合為主體的B類型的混合機。如圖8所示，可確認，在先前的煉焦工廠中一直採用的先前的轉鼓混合機類型的混煤機(A類型的混合機)中，準粒子幾乎未碎裂。

其次，本發明的發明者等人自機械的角度對混合機進行整理，試著對其與60秒後的達成度的關係進行評估。原理上，為了使氧化鐵紅的凝聚體碎裂，必須對凝聚體施加凝聚體的破壞強度以上的力。但是，由於每個類型的混合機的構造大不相同，故而對凝聚體的壓縮力或剪切力等力的作用的方式亦多種多樣，利用施加至凝聚體的力對混合機進行系統性評估需要巨大的勞力。因此，本發明的發明者等人考慮到施加至凝聚體的力與對混合機的投入能量(動力)存在相關關係，而試著藉由投入能量來進行混合機的整理。

實際上，投入能量不僅轉換為凝聚體的破壞能量，而且轉換為混合物的輸送能量或摩擦熱等，且各自的轉換比例可認為在每個混合機中均不同。然而，如圖10所示，單純地評估每單位混合容積的所需動力與60秒後的達成度的關係後發現，良好的相關關係大致成立。並且，由圖10所示的相關關係可知，欲使60秒後的達成度達到0.6以上，每單位混合容積的所需動力為1.0×10⁴[W/m³]以上，欲使60秒後的達成度達到0.7以上，每單位混合容積的所需動力為3.0×10⁴[W/m³]以上。

因此，具有藉由準粒子的碎裂而實現的調配煤的毫米等級的均質化中所必需的攪拌混合性能的適合的混合機中，每單位混合機容積的所需動力為1.0×10⁴[W/m³]以上，較佳為3.0×10⁴[W/m³]以上。即，即使不測定達成度，亦可根據所需動力及單位混合容積來容易地選定適合的混合機。

由以上的研究結果可知，藉由將B類型的混合機導入至焦炭的生產線，可抑制由調配煤的均質性的下降所引起的焦炭強度的下降。並且，在混合機中，根據處理的方法，存在分批(batch)式的混合機及連續式的混合機。在分批式的混合機的情形時，處理時間相當於混合時間，因此根據處理時間與達成度的關係，測定攪拌混合性能。另一方面，在連續式的混合機的情形時，在混合機內的滯留時間相當於攪拌混合時間，因此只要根據滯留時間與達成度的關係，測定攪拌混合性能，選定適合的混合機即可。當然，亦可根據每單位混合容積的所需動力來選定適合的混合機。在焦炭的製造中，需要處理數百[t/h]以上的龐大量的煤，故而導入至焦炭的生產線的混合機的處理方法較佳為處理能力高的連續式。

混合機的攪拌混合處理後的調配煤的均質性亦受到混合機的攪拌混合處理前的均質性的影響。即，當混合機的攪拌混合處理前的均質性高時，可縮短至獲得目標的均質性為止所必需的攪拌混合時間，因此效率好。通常，焦炭的生產線包括粉碎步驟、混合步驟以及乾燥(包含部分乾燥)步驟等，調配煤在各個步驟中的處理或搬送的過程中進行混合，朝向均質化的方向行進。因此，混合機的攪拌混合處理儘可能在即將裝入至煉焦爐之前進行較有效率，故而較理想。

在對調配煤進行處理的步驟的順序中，有粉碎步驟、調配步驟、乾燥步驟的順序，或調配步驟、粉碎步驟、乾燥步驟的順序等若干模式，但在所有模式中，混合機的攪拌混合處理均必須至少在調配步驟之後進行。並且，由於在粉碎步驟中調配煤會混合，故而粉碎步驟存在於調配步驟之後的模式相較於粉碎步驟存在於調配步驟之前的模式，最終的調配煤的均質性高。

因此，當在粉碎步驟存在於調配步驟之前的模式的焦炭生產線中導入有混合機的攪拌混合處理時，調配煤的均質性的提高效果增大，特別有效。而且，根據混合時的水分含量與焦炭強度的關係的調查結果，調配煤的水分含量為6[質量%]以上時，攪拌混合的效果有效。因此，即使焦炭的生產線具有進行調配煤的乾燥的步驟，只要乾燥後的調配煤的水分含量為6[質量%]以上，即可藉由混合機的攪拌混合處理來獲得焦炭強度的提高效果。在乾燥步驟中，無需使煤的水分全部蒸發，在乾燥步驟中亦包括使含有水分降低的部分乾燥操作或濕度調節操作。並且，調配煤亦可包含黏結材料、油類、焦炭粉、石油焦炭(petroleum coke)、樹脂類、廢棄物等添加物。

[實施例]

在本實施例中，準備僅水分含量不同的表1所示的4種單種煤(水分含量為3[質量%]、4[質量%]、6[質量%]、8[質量%]、10[質量%])，使用攪拌混合形態不同的混合機A至混合機E，以達到表2所示的調配率的方式對4種單種煤進行60秒的攪拌混合而製備調配煤。對所製備的調配煤在上述條件下進行乾餾，測定所獲得的焦炭的轉鼓強度DI(150/15)以及餘隙。混合機A是先前類型的轉鼓混合機(比較例1)，混合機C至混合機E是剪切混合為主體的B類型的混合機(發明例1至發明例3)，混合機B是具有先前類型與發明例的中間的混合性能的C類型的混合機(比較例2)。

將測定結果示於以下的表5。並且，將混合時的調配煤的水分含量與焦炭的轉鼓強度DI(150/15)的關係示於圖11。如表5及圖11所示，關於混合時的水分含量為6[質量%]以上的調配煤，可確認，藉由利用混合機進行混合，焦炭強度提高。而且，焦炭強度的提高效果根據混合機的類型而大幅變化。即，在B類型的混合機中，焦炭強度的提高效果大，即使在混合時的調配煤的水分含量為10[質量%]的情形時，焦炭強度亦恢復至與水分含量為6[質量%]以下時的焦炭強度相匹敵的程度。與此相對，在A類型的混合機及C類型的混合機中，焦炭強度的提高效果少。關於餘隙，無論為施加何種混合操作的情況，均幾乎未觀察到差異。所獲得的焦炭的CO₂反應後強度(CSR(coke strength after reaction)，依據ISO18894法而測定)亦顯示出與轉鼓強度DI(150/15)相同的傾向。即，在比較例1的條件下，在混合時水分含量為4[質量%]、6[質量%]、8[質量%]的情形時，相對於水分增大，強度為下降的傾向，CSR分別為59.2[%]、59.0[%]、57.5[%]，與此相對，在發明例3中，在混合時水分含量為4[質量%]、6[質量%]、8[質量%]的情形時，CSR分別為59.8[%]、59.7[%]、59.4[%]，幾乎未觀察到下降。

如圖1所示，在水分含量為6[質量%]以上的調配煤中，形成粒徑1[mm]以上的準粒子。此外，如表5所示，對水分含量為6[質量%]以上的調配煤利用發明例即B類型的混合機在碎裂度升高的條件下進行混合，藉此焦炭強度提高，焦炭強度變成與幾乎未形成準粒子的水分含量4[質量%]以下時的焦炭強度相等。根據以上所述可認為，本發明的焦炭強度的提高效果是藉由調配煤中所含的準粒子經混合機的混合操作而碎裂所獲得。

並且，在圖11所示的混合機D、混合機E中，即使為水分含量高的調配煤，藉由混合處理，焦炭強度亦恢復至與水分含量4[質量%]以下時幾乎相等的位準，因此可認為調配煤中所存在的準粒子大致被碎裂。但是，如使用圖11所示的混合機C對水分含量10[質量%]的調配煤進行混合的情況，亦存在觀察到與混合機A相比焦炭強度有某種程度提高的情況。可認為其原因在於，在混合機C中一部分準粒子已碎裂，從而可認為藉由使一部分準粒子碎裂，亦可提高焦炭強度。

根據以上的調查可知，即使是水分含量6[質量%]以上的毫米等級的均質性低的調配煤，藉由使用剪切混合為主體的B類型的混合機進行攪拌混合處理，亦可抑制由調配煤的均質性的下降所引起的焦炭強度的下降，該效果是在先前類型的混合機中無法實現的。此外，藉由攪拌混合操作，可維持餘隙，由此表明，作為在老化的煉焦爐中藉由濕煤操作來提高焦炭強度的方法，本發明是有效的。

根據本實施例可知，當使用混合機C至混合機E進行60秒的攪拌混合時，可觀察到焦炭強度的提高效果，但當攪拌混合時間延長時達成度提高，因此亦可進行60秒以上的攪拌混合。並且，如圖8所示，60秒攪拌混合時的達成度為0.6以上(在混合機C中經60秒攪拌混合時的達成度為0.6)，因此為了提高焦炭強度，較佳為在達成度達到0.6以上的條件下對水分含量為6[質量%]以上的調配煤進行攪拌混合。

並且，如圖9所示，60秒攪拌混合後的準粒子的碎裂度達到0.6以上(混合機C中的60秒後的碎裂度為0.62)，因此為了提高焦炭強度，較佳為藉由調配煤的攪拌混合而使準粒子碎裂，以使調配煤中的粒徑1[mm]以上的準粒子的碎裂度達到0.6以上。

此外，如圖8所示，在60秒攪拌混合時的達成度為0.6以上的混合機中，即使攪拌混合時間為10秒，達成度亦達到0.4以上，從而可期待藉由準粒子的部分碎裂來提高焦炭強度的效果。又，在可獲得高達成度的混合機(例如混合機E)中，在攪拌混合時間為10秒時達成度為0.6以上，因此較佳為藉由60秒攪拌混合時的達成度為0.6以上的混合機，對調配煤進行攪拌混合10秒以上。

[比較例]

在上述實施例中，可確認若水分含量高而準粒子的碎裂不充分時，焦炭強度下降。因此，在本比較例中，為了調查水分含量對焦炭強度的影響，實施使用混合機A來變更水分含量的試驗。除了水分含量以外的條件，與實施例1的條件相同。將試驗結果示於以下的表6。如表6所示，當水分含量達到6.0[質量%]以上時焦炭強度下降。與此相對，在上述實施例中，即使水分含量達到8[質量%]，焦炭強度亦幾乎不下降。由以上所述可知，本發明的效果在水分含量為6[質量%]以上的條件下顯著呈現。

以上，已說明應用由本發明者等人所開發的發明的實施形態，但本發明並不由本實施形態的形成本發明的揭示內容的一部分的描述以及圖式所限定。即，根據本實施形態，由本領域技術人員等所實現的其他實施形態、實施例以及運用技術等均包含於本發明的範疇內。

Claims

一種焦炭的製造方法，其特徵在於包括：製備步驟，對2種以上的煤進行調配而製備調配煤；攪拌混合步驟，藉由對上述調配煤進行攪拌混合，而使藉由煤粒子凝聚而形成的上述調配煤中的至少一部分準粒子碎裂；以及乾餾步驟，將攪拌混合後的上述調配煤裝入至煉焦爐中進行乾餾，藉此製造焦炭。
如申請專利範圍第1項所述的焦炭的製造方法，其中上述製備步驟包括在調配上述2種以上的煤之前對上述2種以上的煤進行粉碎的步驟。
如申請專利範圍第1項所述的焦炭的製造方法，其中上述製備步驟包括使上述2種以上的煤乾燥的步驟。
如申請專利範圍第2項所述的焦炭的製造方法，其中上述製備步驟包括使上述2種以上的煤乾燥的步驟。
如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的焦炭的製造方法，其中對水分含量為6質量%以上的上述調配煤進行上述攪拌混合步驟。
如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的焦炭的製造方法，其中上述攪拌混合步驟包括使用混合裝置對上述調配煤進行攪拌混合的步驟，上述混合裝置具有如下攪拌混合性能，即，藉由以下所示的數式(1)而求出的達成度在開始攪拌混合操作後經過60秒後達到0.6以上，[數式1]達成度=(V_max-V(t))/(V_max-V_st)......(1)上述達成度是根據混合物的明度而算出的值，上述混合物是藉由將平均粒徑2.66μm的碳酸鈣95質量%與平均粒徑0.47μm的氧化鐵(III)5質量%裝入至上述混合裝置而進行上述攪拌混合操作所獲得，在上述數式(1)中，t表示開始上述攪拌混合操作後經過的時刻，V_max表示上述碳酸鈣的明度，V_st表示將上述碳酸鈣與上述氧化鐵(III)加以完全混合而成的上述混合物的明度，V(t)表示在時刻t的上述混合物的明度。
如申請專利範圍第5項所述的焦炭的製造方法，其中上述攪拌混合步驟包括使用混合裝置對上述調配煤進行攪拌混合的步驟，上述混合裝置具有如下攪拌混合性能，即，藉由以下所示的數式(1)而求出的達成度在開始攪拌混合操作後經過60秒後達到0.6以上，[數式1]達成度=(V_max-V(t))/(V_max-V_st)......(1)上述達成度是根據混合物的明度而算出的值，上述混合物是藉由將平均粒徑2.66μm的碳酸鈣95質量%與平均粒徑0.47μm的氧化鐵(III)5質量%裝入至上述混合裝置而進行上述攪拌混合操作所獲得，在上述數式(1)中，t表示開始上述攪拌混合操作後經過的時刻，V_max表示上述碳酸鈣的明度，V_st表示將上述碳酸鈣與上述氧化鐵(III)加以完全混合而成的上述混合物的明度，V(t)表示在時刻t的上述混合物的明度。
如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的焦炭的製造方法，其中上述攪拌混合步驟包括使用混合裝置對上述調配煤進行攪拌混合的步驟，上述混合裝置中，每單位混合容積的所需動力為1.0×10⁴W/m³以上。
如申請專利範圍第5項所述的焦炭的製造方法，其中上述攪拌混合步驟包括使用混合裝置對上述調配煤進行攪拌混合的步驟，上述混合裝置中，每單位混合容積的所需動力為1.0×10⁴W/m³以上。
如申請專利範圍第6項所述的焦炭的製造方法，其中上述攪拌混合步驟包括使用混合裝置對上述調配煤進行攪拌混合的步驟，上述混合裝置中，每單位混合容積的所需動力為1.0×10⁴W/m³以上。
如申請專利範圍第7項所述的焦炭的製造方法，其中上述攪拌混合步驟包括使用混合裝置對上述調配煤進行攪拌混合的步驟，上述混合裝置中，每單位混合容積的所需動力為1.0×10⁴W/m³以上。