JP7750252B2 - コークス製造用石炭ケーキの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、コークス製造に用いる石炭ケーキをスタンプチャージ法で成型するコークス製造用石炭ケーキの製造方法に関する。

コークス製造用としての石炭として、良質の強粘結炭は資源的に枯渇状態になってきているため、劣質炭を用いても強度を確保することが求められている。強度を向上させる技術としては、コークス炉に装入する石炭の嵩密度を増加させる方法があり、一例としてスタンプチャージ法が知られている（特許文献１）。

特許文献１で開示されているスタンプチャージ法では、粉炭と成形炭との混合物をスタンパーにより上からスタンプして成型し、嵩密度が大きいブロック状の石炭ケーキとする。

特開２０１８－４４１２６号公報

しかしながら、スタンプチャージ法で形成されたブロック状の石炭ケーキの強度は場所によりばらつきがあり、石炭ケーキの上部では上から自重で押しつぶされないことから嵩密度が小さく、強度が小さくなりやすい。そのため、一定回数スタンピングしてブロック形状に成型した石炭ケーキにおいて、石炭ケーキの上部が強度不足により崩落する場合がある。その場合、上部が崩落した石炭ケーキを、コークス炉の炭化室へ装入できなくなり、石炭ケーキを乾留してコークスを製造することができない。

本発明の目的は、上記の問題点を解決して、スタンプチャージ法により石炭ケーキをブロック状に成型しても石炭ケーキの上部の崩落をなくすことができる、コークス製造用の石炭ケーキの製造方法を提案することにある。

石炭ケーキの崩落を防ぐために、スタンプチャージ法により成型される石炭ケーキの密度は１１００ｋｇ／ｍ^３以上が望ましい。そこで、本発明では、前記課題を解決するために石炭ケーキが上部から崩落する要因を鋭意調査した。その結果、以下の知見を得た。
１）スタンピング中の石炭ケーキ高さが高くなると、石炭ケーキ下部は、上方にある石炭の自重およびスタンピングによる衝撃を受けるため密度が上昇する。一方、石炭ケーキ上部は、密度は直上でのスタンピングによる密度増加のみであるため密度増加量が少なく、石炭ケーキ強度が不足する。
２）石炭の銘柄や性状、粒度などによって、同じスタンピングエネルギーを与えた場合であっても、得られる石炭ケーキの密度は大きく変化する。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下の通りである。すなわち、本発明のコークス製造用石炭ケーキの製造方法は、コークス製造に用いる石炭ケーキをスタンプチャージ法で成型するコークス製造用石炭ケーキの製造方法において、前記石炭ケーキの成型中、石炭ケーキのいずれの高さにおいても、成型されるエネルギーが目標密度を達成するために必要なエネルギーＥｔ（ｋＪ／ｔ）以上であることを特徴とする、コークス製造用石炭ケーキの製造方法である。

なお、前記のように構成される本発明に係るコークス製造用石炭ケーキの製造方法においては、
（１）前記Ｅｔは、石炭毎に、スタンピングエネルギーＥ（ｋＪ／ｔ）と石炭ケーキ密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）との相関関係に基づいて設定されること、
（２）前記Ｅｔは、石炭ケーキのいずれの高さにおいても、下記式（１）を満たすこと：
Ｅｔ≦Ｅｇ＋Ｅｓ ・・・・（１）
ここで、Ｅｇ：高さｈにおいて石炭装入時の荷重によって生じるエネルギー（ｋＪ／ｔ）
Ｅｓ：高さｈにおいて装炭中のスタンピングエネルギー（ｋＪ／ｔ）、
（３）前記Ｅｓを石炭ケーキのいずれの高さにおいても一定とし、石炭を装入する装炭速度を石炭ケーキの高さが高くなるに従って遅くすること、
がより好ましい解決手段となるものと考えられる。

本発明のコークス製造用石炭ケーキの製造方法によれば、石炭ケーキのいずれの高さにおいても、成型されるエネルギーが目標密度を達成するために必要なエネルギーＥｔ（ｋＪ／ｔ）以上である。そのため、石炭ケーキ上部からの石炭ケーキの崩落を防ぐことができる。

本発明の石炭ケーキを用いる従来から知られているコークス炉の一実施形態を説明するための図である。 本発明の石炭ケーキの製造に用いるスタンプチャージ設備の一実施形態を説明するための図である。 本発明におけるＥｔを説明するための、スタンピングエネルギーと石炭ケーキ密度との関係の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

＜本発明の石炭ケーキを用いるコークス炉について＞
図１は本発明の石炭ケーキを用いる従来から知られているコークス炉の一実施形態を説明するための図である。図１に示す例において、コークス炉１は、石炭ケーキを装入する炭化室２と炭化室２を加熱する燃焼室３とが交互に配置された構造体（炉団）である。炭化室２においては、石炭を蒸し焼き（乾留）して、コークスを製造している。製造したコークスは、炭化室２の前後方向の端部の窯口に着脱自在に設けられた炉蓋４を開け、水平方向に図示しない押し出しラムにより押し出すことで、炭化室２から取り出される。

燃焼室３の下部には、一体に蓄熱室５が設けられており、燃焼室３と蓄熱室５とにより、燃料ガス６を空気９により燃焼して燃焼排ガス７としてコークス炉１の外部に排出することで、隣接する炭化室２を石炭が乾留される温度まで加熱している。上記構成のコークス炉１は、石炭処理能力が高く、熱効率も良好で、強度の高いコークスを得ることができる。

図１に示す構成のコークス炉１では、図１に燃焼室３および蓄熱室５の構成を示すように、燃焼室３および蓄熱室５が長さ方向に燃焼側と引き落とし側とに仕切り壁８により２分割されており、燃料ガス６と燃焼した燃焼ガスを、図１に矢印で示すように、（蓄熱室５の燃焼側）→（燃焼室３の燃焼側）→（燃焼室３の引き落とし側）→（蓄熱室５の引き落とし側）と流通させて、隣接する炭化室２を、石炭を乾留するための温度例えば約１１００℃に加熱している。そして、この状態を２０～３０分程度継続したら、ガスの流れを反対向きにして燃焼と排気の切り替えを行い、燃焼側と引き落とし側を入れ替えて加熱することを繰り返す操業を行う。

＜本発明のコークス製造用石炭ケーキの製造方法について＞
図２は本発明の石炭ケーキの製造に用いるスタンプチャージ設備の一実施形態を説明するための図である。図２に示す例において、装炭押出機２１の上部に複数のスタンパー２２を設けている。そして、装炭押出機２１内に上部からホッパー２５を介して石炭２３を装入し、スタンパー２２を上下動させることで石炭２３を上部からスタンピングして、石炭ケーキ２４を成形している。装炭押出機２１の前端は可動扉２１ａから構成され、後端は背面壁２１ｂから構成されている。可動扉２１ａおよび背面壁２１ｂを所定の位置にセットしてスタンピングボックスを形成することができる。そのため、石炭２３をスタンパー２２でスタンピングすることで、装入された石炭２３は所定のブロック形状に成型された石炭ケーキ２４を得ることができる。成型された石炭ケーキ２４は、前端の可動扉２１ａを開けた状態で後端の背面壁２１ｂにより押すことで、コークス炉１の炭化室２にセットされる。そして、炭化室２内にセットされた石炭ケーキ２４は炭化室２内で乾留される。

本発明のコークス製造用石炭ケーキの製造方法の特徴は、上述した装炭押出機２１での石炭ケーキ２４の成型中、石炭ケーキのいずれの高さにおいても、成型されるエネルギーが目標密度を達成するために必要なエネルギーＥｔ（ｋＪ／ｔ）以上である点にある。

ここで、Ｅｔ（ｋＪ／ｔ）とは、目標密度（例えば、１１００ｋｇ／ｍ^３）を達成するために必要なエネルギーである。原料となる石炭の銘柄や性状、粒度などによって、同じスタンピングエネルギーを石炭に与えた場合であっても、スタンプチャージ法で成型された石炭ケーキの密度は大きく変化する。そのため、オフライン試験でスタンピングエネルギーＥと石炭ケーキ密度ρとの相関関係を予め調査し、原料毎にＥｔを決定することが好ましい。Ｅｔの好適な実際の例については、以下の実施例において、表１および図３に基づき説明する。

また、本発明のコークス製造用石炭ケーキの製造方法の好適な一実施形態として、Ｅｔは、石炭ケーキのいずれの高さにおいても、下記式（１）を満たすことがある：
Ｅｔ≦Ｅｇ＋Ｅｓ ・・・・（１）
ここで、Ｅｇ：高さｈにおいて石炭装入時の荷重によって生じるエネルギー（ｋＪ／ｔ）
Ｅｓ：高さｈにおいて装炭中のスタンピングエネルギー（ｋＪ／ｔ）、

ここで、高さｈにおいて石炭装入時の荷重によって生じるエネルギーＥｇ（ｋＪ／ｔ）は、Ｅｇ＝ｇ×ｌ（ｇ：重力加速度、ｌ：石炭の落下距離）で定義される。例えば、石炭ケーキ高さ６ｍの石炭ケーキを作成するために高さ７ｍにあるホッパーから石炭を供給する場合、Ｅｇは石炭の落下エネルギーが石炭ケーキの圧縮に変換されると考えると、Ｅｇ＝ｇ×ｌとなる。

また、高さｈにおいて装炭中のスタンピングエネルギーＥｓ（ｋＪ／ｔ）は、Ｅｓ＝（スタンピング速度（回／秒））×（スタンパーによる１回の加圧エネルギー（Ｊ／回））／（装炭速度（ｔ／秒））で定義される。石炭ケーキの崩落を防ぎつつ生産性を高めるためには、装炭中のスタンピングエネルギーＥｓは、石炭ケーキの高さが高くなるに従って大きくなるよう調整することが好ましい。スタンピング速度を増加させる方法、スタンパーの重量を重くして加圧エネルギーを増加させる方法、石炭の投入量を低下させる方法、あるいはこれらを組み合わせた方法により、Ｅｓを大きくすることが可能である。

実施例として、－３ｍｍの割合を９０％、含水率を１０％に調整した石炭を用いて、スタンピングエネルギーＥを３００～７００（ｋＪ／ｔ）の範囲で変化させた時の石炭ケーキ密度ρを調査した。その結果を、石炭のオフライン試験におけるスタンピングエネルギーと石炭ケーキ密度との関係として、以下の表１および図３に示す。図３のグラフから、この石炭の場合、例えば１１００（ｋｇ／ｃｍ^３）の目標密度を得るための目標スタンピングエネルギーＥｔは、Ｅｔ＝５４７（ｋＪ／ｔ）となる。

なお、上記石炭では、図３に示すように、石炭ケーキ密度をｙ、スタンピングエネルギーをｘとしたとき、ｙ＝５８５．５ｘ^０．１との式を求めることができる。ここで、係数５８５．５と指数０．１は、石炭の種類ごとに異なる値をとる。そのため、係数をａ、指数をｂとすれば、石炭の種類によらず、石炭ケーキ密度とスタンピングエネルギーとの関係を、ｙ＝ａｘ^ｂと示すことができる。

上記の石炭を用いて、スタンプチャージ法に従って、スタンピング速度（回／秒）、スタンパーの加圧エネルギー（ｋＪ／回）、装炭速度（ｔ／秒）を種々に変化させて、比較例１、実施例１、実施例２の石炭ケーキを成型した。そして、コークス炉の炭化室に装入した際の石炭ケーキ上層の崩落の有無を調査した。石炭ケーキの形状は、幅０．４３ｍ×長さ１５．４３ｍ×高さ６ｍであり、石炭を装入するホッパー高さは７ｍであった。以下、比較例１、実施例１、実施例２の各種の成型条件および成型結果を、表２、表３、表４として示す。

比較例１では、石炭ケーキの上層部から石炭ケーキの崩落が発生した。これは、高さ３ｍ以上で、Ｅｓ＋Ｅｇが目標とするＥｔ＝５４７（ｋＪ／ｔ）未満になっているからと考えられる。一方、石炭ケーキ高さの全高さで、Ｅｓ＋Ｅｇが目標Ｅｔ＝５４７（ｋＪ／ｔ）以上となっている実施例１および実施例２では、石炭ケーキの上層部から石炭ケーキの崩落の発生は認められなかった。

以上のことから、石炭ケーキの成型中、石炭ケーキのいずれの高さにおいても、成型されるエネルギーが目標密度を達成するために必要なエネルギーＥｔ（ｋＪ／ｔ）以上であることで、石炭ケーキの上層部における崩落のない石炭ケーキを得られることがわかった。

また、実施例１と実施例２とを比較すると、スタンパーの加圧エネルギーは、実施例１では５５．０（ｋＪ／回）であり、実施例２では５０．０（ｋＪ／回）である。また、装炭にかかる時間（装炭速度の積分値）は、実施例１よりも実施利２の方が短い。そのため、実施例２は実施例１よりも生産性が良く好ましいことがわかった。

本発明のコークスの製造方法によれば、石炭ケーキの成型中、石炭ケーキのいずれの高さにおいても、成型されるエネルギーが目標密度を達成するために必要なエネルギーＥｔ（ｋＪ／ｔ）以上でとする。これにより石炭ケーキ上部からの石炭ケーキの崩落を防ぐことができ、産業上有用である。

１ コークス炉
２ 炭化室
２１ 装炭押出機
２１ａ 前端の可動扉
２１ｂ 後端の背面壁
２２ スタンパー
２３ 石炭
２４ 石炭ケーキ
２５ ホッパー

Claims (3)

1. コークス製造に用いる石炭ケーキをスタンプチャージ法で成型するコークス製造用石炭ケーキの製造方法において、
   前記石炭ケーキの成型中、石炭ケーキのいずれの高さにおいても、成型されるエネルギーが目標密度を達成するために必要なエネルギーＥｔ（ｋＪ／ｔ）以上であり、
   前記Ｅｔは、石炭ケーキのいずれの高さにおいても、下記式（１）を満たす、
   Ｅｔ≦Ｅｇ＋Ｅｓ ・・・・（１）
   ここで、Ｅｇ：高さｈにおいて石炭装入時の荷重によって生じるエネルギー（ｋＪ／ｔ）
   Ｅｓ：高さｈにおいて装炭中のスタンピングエネルギー（ｋＪ／ｔ）、
   ことを特徴とする、コークス製造用石炭ケーキの製造方法。
2. 前記Ｅｔは、石炭毎に、スタンピングエネルギーＥ（ｋＪ／ｔ）と石炭ケーキ密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）との相関関係に基づいて設定されることを特徴とする、請求項１に記載のコークス製造用石炭ケーキの製造方法。
3. 前記Ｅｓを石炭ケーキのいずれの高さにおいても一定とし、石炭を装入する装炭速度を石炭ケーキの高さが高くなるに従って遅くすることを特徴とする、請求項１または２に記載のコークス製造用石炭ケーキの製造方法。