非回収型コークス炉バッテリーの性能最適化

非回収型コークス炉の概要

冶金コークスは、ベンゼン可溶分を含む様々なブレンドの瀝青炭を「乾留（破壊蒸留）」するプロセスで生産される硬質炭素材料です。酸素欠乏雰囲気下で高温（約1,100℃）で石炭を炭化させることでコークス炉内で生産されます。

空気欠乏下での石炭加熱によるコークス製造は、1709年イングランドでエイブラハム・ダービーが製鉄に使用して以来、産業革命初期に起源を持ちます。初期製法は木炭製造と同様：円錐状に石炭積み上げ、着火、側面を粘土覆い。これが蜂巣炉製コークスの基礎となりました。段階的進歩で蜂巣炉、反射炉、副生物回収炉、約1世紀前には副生物回収付き再生式コークス炉へ発展。

非回収型コークス炉技術は、18世紀以来産業革命にコークス供給した古典的蜂巣炉から発展。蜂巣炉は手動操業、わずかな熱回収（炉加熱のみ）。現代非回収炉は高度機械化、一定程度自動化。揮発分燃焼ガスをダウンカマー経由でさらに燃焼、炉底・側壁加熱に利用。

冶金コークス製造の3実証プロセス

1. 蜂巣コークス炉
2. 副生物回収コークス炉
3. 非回収コークス炉

排ガス熱エネルギーを蒸気として回収する非回収炉は「熱回収」または「エネルギー回収」コークス炉と呼ばれます。全プロセスで炉は通常列状配置、隣接炉間に共通壁。この炉列を「バッテリー」と呼び、数十〜数百炉が連なることも。

蜂巣炉

古風な蜂巣形状のアーチ屋根耐火レンガ室。少量生産・大量汚染で現在では陳腐化プロセスですが、一部地域で仍使用。

副生物回収コークス炉バッテリー

炉内を微正圧運転で無気雰囲気炭化。排ガス回収・副生物プラント送付で各種副生物回収。「副生物コークス製造」と呼ばれる。

非回収コークス炉でのコークス製造

石炭炭化時に発生する揮発分を副生物として回収せず、制御空気存在下で炉内燃焼。揮発分ガス熱をコークス炭化に利用、外部加熱不要。揮発分燃焼熱で、炉天井からの放射と伝導で石炭塊へ熱貫入。高温で潜在的汚染炭化水素を可燃成分分解・燃焼、有害汚染回避。燃焼熱はプロセスで部分利用、残熱を廃ガス顕熱としてエネルギー回収。

コークス炉排ガスは顕熱と可燃成分を保持。コークス以外回収しないため「非回収コークス炉」。廃ガス可燃成分燃焼熱と顕熱で蒸気生成・発電する場合「熱回収コークス炉」または「エネルギー回収コークス炉」。

非回収・熱回収炉の基礎は「ジュエル・トンプソン炉」。1960年バンサント（VA）で3試験炉成功、1972年16大型炉建設。1998年3月インディアナ（米国）で初熱回収付き非回収コークスプラント稼働（268炉、130万トン/年、100MW発電）。ジュエル・トンプソン炉は長方形平面、シリカ耐火物ライニング。

非回収コークス炉技術の要点

• 制御雰囲気下石炭加熱で揮発分（ガス・水分）解放
• ガスを環境配慮型「スマート」燃焼でコークス製造熱生成
• 余剰熱で発電
• 石炭燃焼でなく石炭から解放されたガスのみ燃焼
• 温室効果ガス排出は蒸気タービン通過単純ガス火力発電並み

非回収炉は高炉、キュポラ、フェロアロイ炉等向け良質コークス生産。高PCI高炉でより良いコークス特性必要な場合、または非コークス炭ブレンドで標準品質確保に有用。

副生物回収炉との比較

副生物回収炉と非回収炉のコークス製造比較を図1に示す。

各種パラメータ比較を表1に示す。

表1 副生物回収炉と非回収炉の比較
No.	パラメータ	副生物回収炉	非回収炉
1	炉圧	微正圧	微負圧
2	炉高	高炉	水平幅広炉
3	レンガ形状種類	多数	少数
4	熱供給	燃料ガスで外部加熱	揮発分部分燃焼で内部加熱
5	熱伝達	間接、水平、伝導	直接、垂直、天井から放射・対流、底部から間接伝導
6	汚染	環境非友好的	実質無汚染
7	資本コスト	高	低
8	エネルギー必要量	高	低
9	運転コスト	高	低
10	建設期間	長	短
11	コミッショニング	遅い	速い
12	コークス用石炭	品質制約	柔軟性あり
13	副生物	多数	副生物なし
14	共生成物	COガス	蒸気/電力
15	壁圧	感受性あり	非感受性
16	炭化温度	低	高
17	コークス収率	高	低
18	コークス品質	低	高
19	必要人員	熟練必要	高度熟練不要
20	メンテナンス	高温メンテ	炉冷却後メンテ可能

副生物回収プラントと熱回収コークス炉プラント構成のサンキーダイアグラム比較を図2に示す。

非回収コークス炉の設計・建設特徴

非回収コークス炉には複数設計存在。主要設計の特徴を説明。

ジュエル・トンプソンコークス炉

典型室寸法：長さ14m、幅3.5-3.7m、高さ2.4-2.8m。炉あたり40-50トン石炭投入。典型充填高さ1,000mm。23耐火レンガ形状で構築。石炭ブレンドを「プッシャーチャージャーマシン（PCM）」で片側から投入、レール走行。投入直後、耐火物熱吸収と揮発分燃焼開始。

炉天井下で揮発分部分燃焼（石炭塊上部）。直後ガス炉床吸引、追加空気導入で完全燃焼。炭化フロントが底部・天井から進行、中央付近で合流。副生物回収炉のような圧力蓄積なし、低揮発分石炭ブレンド可能。

炉内温度・圧力・内部燃焼制御。炭化時間約48時間。コークス取出しは充填用同一PCM使用。水冷却、冷却水全量回収（蒸発損失除く）。ジュエル・トンプソン炉断面を図3に示す。

中国設計非回収炉

中国は標準水平熱回収炉に加え、垂直型非回収炉も建設。水平炉：屋根120°アーチ構造。調整可能一次空気入口をアーチ均等配置、石炭と燃焼帯間に廃ガス保護層形成。炉底に4連結アーチ、アーチ基部に調整可能二次空気入口配置、フルー内空気分配、排ガスさらなる燃焼で炉底加熱。壁・底部フルー連携可能。炉基礎と底板間に通気層、底板過熱防止。主壁に吸引調整装置。

炉扉2分割：上部固定、下部可動、すす漏れ防止。鋳鉄製、セラミックファイバーライニング。

水平熱回収炉バッテリー設計例：炭化室寸法13,340mm長×3,596mm幅×2,758mm高、室中心間距離4,292mm。有効石炭ケーキ寸法1,300mm長×3,400mm幅×1,100mm高。充填石炭見かけ密度1.0-1.5t/m³。炉石炭充填容量約50トン、炭化時間72時間。

他2設計：寸法13,334mm/15,440mm長×3,598/3,700mm幅×2,888/2,693mm高、中心間距離4,530/4,300mm。有効ケーキ寸法12,750/14,850mm長×3,500/3,600mm幅×1,050/1,000mm高。乾燥基準充填容量42.393/51.856トン、炭化時間72/70時間。

初垂直コークス炉熱回収バッテリー2002年中国建設。水平型比：スペース少、建設コスト20-30%削減。重要：炭化室と燃焼室分離で水平型で起こりうるコークス焼損回避。熱は耐火物通過のみ、従来バッテリー同様。電池底部に2層空冷チャネル。基礎温度100-150℃、破損防止。垂直炉主要寸法・特徴を表2に示す。

表2 垂直熱回収コークス炉技術パラメータ
No.	パラメータ	単位	値
1	炭化室	-	-
		高さ	mm	3,200-4,830
		長さ	mm	12,570-16,940
		平均幅	mm	560
		中心距離	mm	1,180
2	充填重量	トン	約24
3	ケーキ見かけ密度	t/m³	1.0-1.1
4	炭化時間	時間	38
5	炉数	基	4×35
6	間仕切り壁厚	mm	100
7	炉底厚	mm	1,182
8	有効高さ	mm	2,800-4,400
9	中心温度	℃	1,000±50
10	押出コークス重量	トン	約18
11	排ガス量	Nm³/h	350,000
12	排ガス温度	℃	950±50

セサ・ゴア設計コークス炉

ジュエル・トンプソン炉より狭幅。ローマンアーチ屋根採用可能。アルミナ系耐火物使用（幅縮小要因）。酸化雰囲気下での挙動良好、熱衝撃抵抗大、冷却時体積変化小（再充填遅延時有利）。トップチャージ方式。コンパクト石炭充填で運転。

ウーデ設計

現ウーデ設計はスタンプチャージ。チャージマシン炉内不侵入。炉寸法：幅3.8m、長さ15m。シリカレンガライニング。排ガストンネルが炉床レベル下を横走（炉上部通過でなく）。

SJ 96コークス炉

山西三佳社内開発。特徴：石炭充填重量120トン（例外的）。長炭化時間10日間必要（典型48-72時間比）。石炭層高1.8m、90cmと180cmでレベリング。充填・取出しとも手動・炉冷却後。温度：上層1,200℃、下層1,150℃。ガス完全燃焼（炉下フルー）、温度で蒸気生成・発電。

非回収炉でのコークス製造プロセス

非回収炉では石炭全揮発分を炉内燃焼、コークス製造必要熱供給。炉は負圧運転。一次燃焼空気を炉扉ポートから導入、炉室内揮発分部分燃焼。二次空気を底部フルー（石炭塊下を蛇行）導入。フルー設計と空気流量制御で石炭塊天井・底部の炭化速度均等化。

副生物回収コークス製造ではコークスを加熱フルー（炉室外部）でのガス燃焼で間接加熱するのに対し、非回収コークス製造では必要熱を炉室へ直接・間接両方で伝達。

サイクル開始時石炭を炉床投入。前サイクル残熱で炭化プロセス開始。石炭投入は開放プッシャー側扉から。多くの場合石炭を予めスタンプ、熱い炉室投入。典型充填レベル1,000mm。

放出生コークス炉ガスは炉扉からの外気導入で炉冠部部分燃焼、ダウンカマー経由で炉床加熱フルーへ。フルーシステムは炉床下、さらなる外気供給で1,200-1,400℃で生ガス完全燃焼。ガスはアフターバーナートンネルへ、未燃ガス酸化。アフターバーナーシステムで熱回収蒸気発生器へ高温ガス導入。

最新設備では高温廃ガスでエネルギー生成後、脱硫処理し大気放出。炭化時間は炉タイプにより48-72時間変動。炭化完了後コークス押出、通常湿式消火。

負圧運転で、扉漏洩からの排出原理的に回避。コークス押出時粉塵排出はコークス側シェッド経由排気。多くの場合プッシャー側に吸引装置設置、投入時排出捕集。

投入・押出・消火時排出制御技術は副生物回収炉適用技術と類似。

発生高温で揮発分の有害炭化水素・副生物全て炉内熱酸化分解。高温ガス廃ガストンネル→熱回収蒸気発生器で高圧蒸気生成（暖房/発電用）。冷却廃ガスは排ガス脱硫装置で浄化後大気放出。プロセスフロー図を図4に示す。

非回収コークス炉のメリット

• 廃水処理プラント不要
• 全廃水コークス消火使用で正味廃水排出ゼロ
• 壁圧制約排除で石炭ブレンド選択柔軟性向上
• 高温・長浸漬時間・緩やか加熱による一貫した結晶成長でコークス強度向上
• コークス炉+副生物プラント比で必要スペース少
• モジュール建設可能
• 負圧運転で環境気炉内吸入、逃散排出排除
• 有害大気汚染物質を炉内熱酸化で分解
• プロセス制御ポイント少