コークス乾式消火（CDQ）による効率的なエネルギー回収と環境負荷低減

コークス乾式消火（CDQ：Coke Dry Quenching）は、コークス炉でのコークス製造時に用いられる省エネルギープロセスです。CDQプラントはコークス乾式冷却プラント（CDCP）とも呼ばれます。従来の湿式消火（CWQ：Coke Wet Quenching）プロセスでは、コークス炉から押し出された赤熱コークスに水を噴霧して冷却します。冷却に使用された水は蒸発して大気中に放出されます。この従来システムの課題は、赤熱コークスの顕熱が蒸気となり未利用のまま放出されるエネルギー損失です。また、CWQプロセスではコークス粉塵が飛散し、CO₂排出量が多く、熱エネルギー損失を伴います。

CWQプロセスでは、炉出しコークスの顕熱が大気中に拡散して失われます。さらに、飛散排出物（コークス1トン当たり約0.5トンの蒸気、フェノール、シアン化物、硫化物、粉塵を含む）と大量の水（コークス1トン当たり約0.6m³）が必要です。汚染水も環境に排出されます。表1は、CWQプロセスとCDQプロセスで製造されるコークスの典型的特性比較を示しています。

表1 CWQプロセスとCDQプロセスで製造されるコークスの典型的特性比較
番号	パラメータ	単位	CWQプロセス	CDQプロセス
1	水分含有量	%	2-5	0.1-0.3
2	灰分含有量	%	11.35	11.39
3	揮発分	%	0.5	0.41
4	平均粒度	mm	65	55
5	コークスブリーズ率（-15mmふるい下）	%	10	13
6	気孔率	%	49	48
7	ドラム指数	%	83.5	85
8	反応後コークス強度（CSR）	%	58	60

CDQプロセスでは、赤熱コークスを密閉系で循環ガスにより冷却するため、コークス粉塵の飛散を防止できます。従来のCWQプロセスで失われていた赤熱コークスの熱エネルギーを回収し、CDQシステムで蒸気として再利用します。この技術は化石燃料使用量を減らし、CO₂排出量を削減することで地球温暖化防止に貢献します。近年、CDQプラントは効率的なエネルギー回収と環境汚染低減の特性から世界的に注目され、CO₂による地球温暖化や大気汚染などの環境問題対策の必須設備と見なされています。既存CDQプロセスの操業に基づくエネルギー節約計算の研究では、石炭乾留時に発生する廃熱の85%がCDQプロセスで回収されることが示されました。

歴史

CDQ技術は1920年代にスイスのズルツァー兄弟によって導入されました。数十年後、ロシアのギプロコークス研究所により連続操業向けの改良されたCDQプロセスが開発されました。パイロット試験とパイロット/商業試験を経て、最初のフルスケールCDQプラントが1965年、当時のソ連チェレポベツ製鉄所で稼働開始しました。1978年までに、56トン/時間能力のCDCPモジュールが約50基、当時のソ連で稼働していました。過去20年間でCDQプロセスは徐々に受け入れられてきましたが、CWQプロセスも依然として普及しています。しかし、多くの国で多数のCDQプラントが稼働しています。図1は、ギプロコークス設計の56トン/時間能力CDQプラントモジュールを示しています。

図1 ギプロコークス設計の56トン/時間能力CDQプラントモジュール

日本は1975年にソ連からライセンスを購入し、3基の日本国内設置が1976〜77年に稼働開始しました。近年のコークス炉生産能力増大に伴い、CDQ能力もこの傾向に適応することが求められています。この傾向に対応し、様々な顧客要求を満たすため、大量のコークスを消火する単室型CDQ（シングルチャンバーCDQ）の開発が日本で進められました。単室型CDQでは予備設備がないため、可用性が極めて重要です。高可用性達成には安定操業が不可欠ですが、未経験オペレーターが様々なパラメータ調整で安定操業を達成するのは困難です。近年、CDQプラント向けの新しい自動化技術も開発されています。1975年以降のCDCPチャンバー能力の段階的増大を図2に示します。

図2 1975年以降のCDCPチャンバー能力の段階的増大

CDQプロセス

押し出し後の高温コークスは、消火車上の底開きバケットでコークス炉からCDQプラントへ搬送されます。このバケットはCDQプラントでホイスト/装入装置によりCDQチャンバー頂部まで昇降し、装入装置によって予備室へ排出されます。高温コークス（温度約1,000〜1,100℃）は、チャンバー内で循環ガスにより冷却されます。チャンバー内では循環ガスがコークス移動方向と逆方向（向流）に移動します。つまり、循環ガスは下部冷却ゾーンから吹き込まれ上向きに移動し、コークスは重力で下向きに移動します。

連続運転CDCPプラントの循環ガスは、主に窒素（N₂）と少量の二酸化炭素（CO₂）、一酸化炭素（CO）、水素（H₂）で構成される混合ガスです。典型的な循環ガス組成は、N₂ 70〜75%、CO₂ 10〜15%、CO 8〜10%、H₂ 2〜3%です。高温コークスはチャンバー内を下降中に、下部冷却ゾーンから吹き込まれる循環ガスにより200℃未満まで冷却され、チャンバー底部の排出設備から排出されます。コークスのチャンバー通過時間は約5〜6時間です。56トン/時間能力CDQプラントの典型的操業パラメータを表2に示します。

表2 56トン/時間能力CDQプラントの典型的パラメータ
番号	パラメータ	単位	値
1	能力	トン/時間	56
2	コークス装入温度	℃	1,000〜1,050
3	コークス排出温度	℃	200
4	ガス入口温度	℃	170
5	ガス出口温度	℃	800-850
6	蒸気発生量	トン/時間	25
7	蒸気圧力	kg/cm²	40
8	蒸気温度	℃	440
9	総ガス量	Nm³/時間	84,000

冷却室での熱交換後、高温循環ガス（約800〜850℃）は一次粉塵捕集機を通過しボイラーへ供給されます。ボイラーでの熱交換後、循環ガスは約180℃まで冷却されます。ボイラーで発生した蒸気は、汎用プロセス蒸気として使用されるか、タービン発電機による発電用の過熱高圧蒸気へ変換されます。

循環ガスは二次粉塵捕集機を経てガス循環ブロワーへ入り、ここで圧力が上昇し、N₂ガス添加により組成が調整された後、CDQチャンバー底部から吹き込まれます。必要に応じてサブエコノマイザーを設置し、循環ガス温度を約130℃まで下げて冷却室の冷却効率を向上させます。

補助設備として、チャンバーからのコークス切り出し装置、循環不活性ガス中の粉塵除去システム、循環ブロワー前の二次粉塵捕集機などがあります。CDQプロセスのフローを図3に示します。

図3 CDQプロセスのフロー

CDQプロセスのメリット

CDQプロセスは従来のCWQプロセスと比較して多くの利点があります。主な利点を以下に説明します。

高温コークスの顕熱利用

化石燃料を消費せずにコークス乾式消火で発電が可能です。これによりCO₂排出量を削減できます。例として（図4）、200トン/時間能力のCDQでは約36MWの発電が可能です。同等の発電を重油焚きボイラーで行うには12トン/時間の重油が必要で、36トン/時間のCO₂が大気へ排出されます。したがって、CDQプラントは経済的・環境的両面でメリットを提供します。コークスの顕熱を回収するため、正味のエネルギー節約となります。エネルギー節約量は約0.25Gcal/トン・コークスです。CDQプロセスにより、CWQプロセスで大気中に拡散していたエネルギーを有効活用できます。

環境保護

CDQでは、CWQプロセスの消火塔から見られる白煙（高粉塵含有）が発生しません。これは全プロセスが完全密閉系であるためです。結果として、CDQ設備周辺の作業環境が改善されます。

一般的にCWQプロセスでは、環境へ排出される蒸気中に大量のコークス粉塵（コークス1トン当たり約300〜400g）が含まれます。最近開発された「コークス安定消火（CSQ）」プロセスでは粉塵排出量を削減できますが、CDQプロセスの方がさらに効率的に粉塵排出を防止します。CDQからの粉塵排出量はコークス1トン当たり3g未満（図4）です。この値はCDQプロセスの継続的改善によりさらに向上しています。

CDQプロセスは水質汚染防止と節水の観点でも環境に優しいです。CWQプロセスでは消火媒体が水であるのに対し、CDQプロセスでは水を一切使用しません。

図4 CDQプロセスのメリット

高炉生産性向上への貢献

CDQプロセスで製造されるコークスの品質向上が、高炉（BF）での生産性改善につながります。CDQ製コークスはCWQ製コークスと比較して2つの優れた特徴を持ちます：（1）より高い機械的強度、（2）極めて低い水分含有量（ほぼゼロ）。これらの特徴が高炉で以下のメリットをもたらします。

• コークスに含まれる水分の蒸発に余分な熱エネルギーが不要なため、高炉燃料消費量が数%削減されます。また、高炉でのCO₂削減と、高炉炉頂温度上昇によるTRT（炉頂圧力回収タービン）発電量向上にも寄与します。
• 高いコークス強度により高炉内透過性が改善され、還元反応効率が向上し、銑鉄生産性が改善されます。CDQ製コークスを使用する高炉は比較的安定した操業が可能です。さらにコークス強度向上により高炉内部の十分な透過性が維持され、高炉での粉砕石炭吹込み率を高められます。

コークス品質の改善

CDQプロセスにより、CWQプロセス製コークスと比較してコークス品質が改善されます。品質の標準偏差が低い（通常約1.25%）ため、コークス品質がより安定しています。均一なコークス品質は高炉操業に有利です。これは、CWQプロセスの水ジェット噴霧による急冷ではなく、CDQチャンバー内で循環ガスにより緩やかに冷却されるためです。また、水ガス反応が回避されます。機械的強度（ドラム指数）の改善は約1.5%、反応後コークス強度（CSR）の改善は約2.5%期待されます。この改善は、緩やかな冷却により湿式消火コークスに一般的に見られる表面気孔と内部クラックが生じないためです。

一般的に、石炭ブレンド中の高級コーキングコール比率が高い場合、コークス強度増加率は相対的に低くなります。コークス炉用石炭ブレンドで低コーキングコールの使用比率を高めると、CDQプロセスによる追加的なコストメリットが得られます。