コークス炉副生成物プラント：ガス回収とエネルギー効率の最適化

コークス炉副生成物プラントの概要

コークス炉副生成物プラントは、副生成物コークス製造プロセスの不可欠な一部です。コークス炉バッテリーで石炭を乾留してコークスを製造する際、石炭中の揮発分気化により大量のガスが発生します。ガスはコーキング期間の大半で発生し、組成と発生速度は期間中に変化し、石炭充填温度が700℃に達する頃にはほぼ完了します。このガスを「原料コークス炉ガス」と呼び、副生成物プラントで処理します。副生成物プラントの機能は、原料ガスを処理して価値ある石炭化学製品を回収し、ガスをクリーンで環境に優しい燃料ガスとして利用可能な状態に調整することです。

ガス冷却と分離プロセス

コークス炉室を出た原料コークス炉ガスは、フラッシングリカー（洗浄液）を噴霧して温度を十分低く下げ、高沸点成分を凝縮させます。原料ガスは噴霧液の断熱蒸発で約80℃まで冷却され、水飽和状態になります。ガス温度が十分低下すればガス集合管で取り扱い可能。ガス集合管から原料コークス炉ガスは吸引管へ流入。炉室を出た高温ガスへのフラッシングリカー噴霧量は冷却に必要な量より遥かに多く、蒸発しなかった残りのフラッシングリカーがガス集合管で液流を形成します。この段階で液体凝縮液流とガス流の2流が存在。両流はバタフライ制御弁を通過してコークス炉バッテリーエリアを離れます。この制御弁は集合管内をわずかに正圧に保ち、コークス炉室内の安全作業条件を確保するよう設定されています。

ガス集合管内の液流は凝縮タール等を洗い流します。フラッシングリカー流は原料コークス炉ガスと共に重力で吸引管へ流入。吸引管内のドレインポット（ダウンカマー）でフラッシングリカーと原料コークス炉ガスを分離。その後、それぞれ別々に副生成物プラントへ流れて処理されます。

飽和原料ガスの組成

コークス炉バッテリーから来る飽和原料ガスは約46〜48%が水蒸気。その他の成分：水素、メタン、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、高級パラフィン、不飽和炭化水素（エタン、プロパン等）、酸素等。また以下の汚染物質を含み、コークス炉ガス特有の特性を与えます：

• タール成分
• タール酸ガス（フェノール系ガス）
• タール塩基ガス（ピリジン塩基）
• ベンゼン、トルエン、キシレン（BTX）、ライトオイル、その他芳香族
• ナフタレン
• アンモニアガス
• 硫化水素ガス
• シアン化水素ガス
• 塩化アンモニウム
• 二硫化炭素

副生成物プラントの機能

原料コークス炉ガスをクリーンで環境に優しい燃料ガスとして利用可能にするため、以下の機能を果たす必要があります：

• コークス炉ガスを冷却し、水蒸気と汚染物質を凝縮
• タールエアロゾル除去（ガス配管/設備のファウリング防止）
• アンモニア除去（ガス配管腐食防止）
• ナフタレン除去（凝縮によるガス配管ファウリング防止）
• ライトオイル除去（BTX回収・販売）
• 硫化水素除去（コークス炉ガス燃焼に関する地域排出規制適合）

さらに、コークス炉バッテリーへ還元されるフラッシングリカーの調整、コークス製造プロセスで発生する廃水処理も行います。典型的な副生成物プラントのブロック図を図1に示します。

図1 典型的な副生成物プラントのブロック図

タール・リカー処理プラント

副生成物プラントとコークス炉バッテリー間を循環するフラッシングリカー、およびコークス製造プロセスで発生する廃水（石炭水分と化学結合水由来）を処理。主な機能：

• 適切なフラッシングリカー流の連続迅速分離。これは炉出口高温ガスをガス集合系で取り扱い可能な温度まで冷却するために必要な流量を確保する極めて重要な機能。
• 清浄でタールフリーの余剰アンモニアリカーを分離し、さらなる処理へ。
• 水分と固形分を実質的に含まない清浄タールを分離。

フラッシングリカー供給が極めて重要なため、フラッシングリカー受け取り・循環用のスタンバイ設備を通常設置。

フラッシングリカーはタールディキャンターへ流入し、タールが水から分離してタール貯槽へ送られ、タール蒸留プラントで処理或いは販売。重い固形粒子はタール層から分離し、タールディキャンタースラッジとして除去。水性リカーはバッテリーへ還流し、一部が回路からブリードオフされ「コークスプラント余剰リカー」或いは廃水となる。これはアンモニウムを含み、さらなるタール粒子除去後、スティルで蒸気ストリッピング。水酸化ナトリウム等のアルカリを添加し、リカー中のアンモニウム化合物を分解。スティルからのアンモニア蒸気は、アンモニア除去システム上流のコークス炉ガスへ導入、或いはスティル自体がアンモニア除去システムに統合される。いずれにせよ、コークス炉ガスと廃水から除去されたアンモニアの最終的行き先は同じ。ストリップドスティル排液は排出或いは現場生物学的排水処理プラントで残留アンモニア、フェノール、シアン化物を除去して処理。

ガス処理プロセス

副生成物プラントのガス処理プロセスは通常以下の設備で構成：

1. 一次ガスクーラー

原料コークス炉ガスを冷却し水蒸気を除去してガス量を削減。2基本タイプ：

• スプレー型クーラー：循環水スプレーとの直接接触でガス冷却。接触冷却水は外部熱交換器で冷却。
• 横管型：水平配管を冷却水が流れ、ガスがこれを横切って間接冷却。冷却水はガスと接触しないため冷却塔等で冷却可能。

ガス冷却により水、タール、ナフタレンが凝縮。凝縮液は一次クーラーシステムに集まり、タール・リカー処理プラントへ排出。

2. タールプレシピテーター（電気集塵機）

冷却時にタール蒸気が凝縮してエアロゾル粒子となりガス流に同伴。これらが下流プロセスやガス配管・バーナーノズルを汚染・ファウリングするのを防ぐため除去。高電圧電極でタール粒子を帯電させ、静電引力でガスから回収。エキゾースター前後どちらにも設置可能。

3. エキゾースター（排ガスファン）

コークス炉バッテリーから副生成物プラントを通じてコークス炉ガスを誘導する動力源。コークス炉バッテリー操業に極めて重要。集合管ガス圧を精密制御可能で、これはドアエミッション等のバッテリー排出に影響。エキゾースター故障は、発生した全原料コークス炉ガスがバッテリーフレアから大気放出されることを即座に意味する。

4. アンモニア除去

アンモニアの腐食性から除去は必須。除去により硫酸アンモニウム（販売可能製品）を得る。硫酸アンモニウムプロセスは基本的に、コークス炉ガスを硫酸溶液と接触させるもの。バリエーション：(i)アブソーバーで硫酸溶液をガスへ噴霧、(ii)サチュレーターでガスを硫酸溶液浴にバブリング。硫酸がガス中アンモニアと反応し硫酸アンモニウム生成。これを結晶化・分離・乾燥し肥料として販売。

より現代的なプロセス：

• 水洗プロセス：水でガスを洗浄しアンモニアを溶解（硫化水素、シアン化水素も一部溶解）。洗浄液をアンモニアスティルへ送り蒸気でアンモニアをストリッピング。スティルからのアンモニア蒸気は上記同様に硫酸アンモニウム化、或いは濃アンモニア液として凝縮、焼却、或いは触媒転換で窒素・水素に変換しコークス炉ガスへリサイクル。
• PHOSAMプロセス（米国製鉄開発）：リン酸モノアンモニウム溶液でアンモニア吸収。無水アンモニアを製品として回収。

5. 最終ガスクーラー

エキゾースター通過時にガスが得る圧縮熱を除去。多くの副生成物プラントプロセスの効率が低温で大幅向上するため必要。水洗アンモニアスクラバー上流に配置。通常、水或いウォッシュオイルとの直接接触で冷却。一次ガスクーラー出口温度以下まで冷却するとナフタレンがガスから凝縮し、冷却媒質中で結晶化して設備をファウリングするため適切な処理が必要。ウォッシュオイル型ではナフタレンがオイルに溶解し、オイル側流を蒸気ストリッピングでナフタレン除去。水冷却の場合、凝縮ナフタレンをタールで吸収。タールは冷却水に同伴（一部連続ブローダウンで処理）或いはタール層形成（冷却水が通過）、タール・リカー処理プラントからフレッシュタールと連続交換し吸収ナフタレンを処分。

6. ナフタレン除去

ウォッシュオイルを用いたガス洗浄塔で除去。充填塔型或いは「ボイド型」（ウォッシュオイルを数段階でガスへ噴霧）。ウォッシュオイルはスティルで蒸気ストリッピングしナフタレンを除去して再生。一部プラントではライトオイル除去と統合。ナフタレンは重質オイル流として回収され、副生成物プラント産出タールと混合されることが多い。

7. ライトオイル（ベンゾールオイル）

ベンゼン、トルエン、キシレン（BTX）を主成分とする類似化学物質混合物の総称。ナフタレン除去と類似のウォッシュオイルプロセスで除去。ウォッシュオイルからスティルでストリッピングし、凝縮させて粗ライトオイルを得る。これは現場外で精製販売或いはライトオイルプラントで複数蒸留工程を経て精製可能。ライトオイルをコークス炉ガスに残留させると発熱量が向上する。

8. コークス炉ガス脱硫

硫化水素除去には複数プロセスがあり、具体的プロセスによりガストレイン内設置位置が決定。主な脱硫プロセス：真空法、アンモニア法、洗浄法、スルフィバン法、クラウス法。