副生コークス炉バッテリーにおけるコークス生産の最適化

コークスは溶銑生産コストの最大50%を占めます。高品質コークスのコスト効率的生産は、銑鉄生産の競争力にとって極めて重要です。

冶金コークスは鉄鋼業プロセス（主に高炉）で鉄鉱石を鉄に還元するために使用されます。総コークス生産の90%以上が高炉操業に充てられています。鋳造用コークスが残りの大部分を占め、鋳造所で金属溶解用炉と金型準備に使用されます。鋳造コークス生産では、冶金コークスとは異なるコークス用配合石炭、より長いコーキング時間、より低いコーキング温度が使用されます。

コークス製造の歴史とプロセス

世界のほとんどのコークスは副生コークス炉バッテリーを使用して生産され、ほとんどのコークスプラントは製鉄施設と統合されています。

無酸素状態で石炭を加熱してコークスを製造する方法は、エイブラハム・ダービーが1709年にイギリスで鉄鉱石溶解に使用した産業革命初期に起源を持ちます。コークス製造方法は当初、木炭製造と同じで、石炭を円形の山に積み、着火し、側面を粘土で覆うものでした。これが蜂巣式コークス製造の基礎となりました。段階的な進歩により、蜂巣式、反射炉式、副生成物回収式オーブンが開発され、約1世紀前に副生成物回収型再生コークス炉に至りました。

石炭は大型コークス炉バッテリーで石炭の乾留によってコークスに変換されます。コーキングプロセスは、揮発成分を追い出すために無酸素状態で石炭を加熱することで構成されます。結果として得られる材料はコークスと呼ばれる硬質多孔質炭素材料です。副生コークス炉では、石炭の揮発分がコークス炉ガス、タール、オイルの形で回収されます。

冶金コークス製造には3つの実証済みプロセスがあります。

• 蜂巣式コークス炉 - 非回収型オーブン
• 熱回収またはエネルギー回収コークス炉 - これらも非回収コークス炉と呼ばれることがある
• 副生コークス炉

副生コークス製造プロセスは、無酸素雰囲気で高温で石炭を炭化することを含みます。このプロセスは石炭の揮発分を除去し、炭素を濃縮します。このプロセスではオフガスが回収され、副生プラントに送られ、様々な副生成物（コークス炉ガス、タール、アンモニア、粗ベンゾール）が回収されます。

副生コークス炉プラントは、石炭取扱・調製セクション、コークス消火設備付き副生コークス炉バッテリー、コークス破碎・選別プラントの3つの主要セクションで構成されます。副生コークス炉プラントの典型的なプロセスフローと排出ストリームを図1に示します。

コークス用石炭とコークス品質に影響する因子

コークス用石炭は、副生コークス炉でのコークス生産における重要な原材料であり、コークス特性を決定します。要求されるコークス特性は、均一サイズ、良好な強度（CRI、CSR、ミクム値）、最小揮発分と最小灰分を持つ多孔性です。

コークス用石炭はコークス特性に基づいて分類されます。プライムコークス炭、中級コークス炭、半/低コークス炭です。良質コークスを生産するための石炭コークス特性には、流動性、膨張度、坩堝膨張数、グレイキング値、平均最大反射率（MMR）で示される石炭ランク、ビトリナイトとビトリナイト分布（V9-V14）が含まれます。コークス特性以外にも、水分、灰分、硫黄、リン、アルカリ百分率、灰分融点などの石炭の他の重要特性があります。石炭中の低水分、低灰分、低硫黄、低リン含有量は良質コークス生産に望ましいです。コークス品質に影響する石炭のその他の特性には、粒子サイズ、見掛け密度、石炭風化があります。コークス用石炭はまた、低・中・高揮発分を持つ場合があります。コーキング温度、コーキング速度、浸漬時間、消火実践、コークス取り扱いもコークス品質に影響します。

コークス炉に投入される石炭は通常、2種類以上のコークス用石炭のブレンドです。ブレンドは、結果として得られるコークス特性を制御し、副生成物の品質と量を最適化し、コーキングプロセス中に炉壁に過度の圧力を引き起こす可能性のある特定タイプの石炭の膨張を回避するために必要です。

石炭取扱プラントと石炭調製セクション

石炭取扱プラントと石炭調製セクションは、炭化に適した石炭ブレンドを調製します。関与する様々なステップは、石炭の荷降ろしと貯蔵、様々なグレードの石炭ブレンド、石炭破碎と石炭貯蔵塔への輸送です。

コンベアベルトが必要に応じて石炭貯蔵からミキシングビンに石炭を移送し、様々なタイプの石炭が貯蔵されます。ブレンドされた石炭はミキシングビンから石炭破碎機に移送され、通常-3mmサイズに粉砕されます。

粉砕された石炭はさらに混合・ブレンドされ、場合によっては水とオイルが添加されてブレンドの見掛け密度を制御します。調製された石炭ブレンドはコークス炉バッテリー頂部の石炭貯蔵塔に輸送されます。

石炭は調製プロセスの様々な段階で貯蔵され、石炭調製セクション内を搬送される必要があります。破碎と篩分けは石炭取扱プラントの重要な部分です。破碎は石炭の全体サイズを縮小し、より容易に処理・取り扱い可能にします。篩は石炭のサイズ範囲を分類します。篩は静的または機械的に振動させることができます。

副生コークス炉バッテリー

コークス炉は、無酸素状態で石炭を炭化し、それによって石炭から揮発分を蒸留分離することで石炭をコークスに変換する耐火物で作られたチャンバーです。副生コークス炉プラントは、コークス炉（各バッテリーで20〜100基の範囲で変動）を含む1つ以上のコークス炉バッテリーで構成されます。石炭は充填ホールからコークス炉に投入されます。典型的な7m高コークス炉バッテリーの断面図を図2に示します。

秤量された量の石炭が石炭貯蔵塔から充填車（バッテリー全長を移動可能な充填車両）に排出されます。充填車は空の高温オーブンの上に位置決めされ、充填ホールの蓋が取り除かれ、充填車のホッパーから石炭がオーブンに排出されます。

充填中のオーブンからのガス逃散を最小限に抑えるため、蒸気吸引を使用して充填石炭上部空間からガスを集合管に吸引します。ホッパーからの石炭排出は、各ホッパーを空にする順序を制御することで「段階的」に行われ、石炭のピークが上部空間を塞ぎ、充填中に発生するガス除去を妨げるのを防ぎます。充填シーケンスの終盤では、プッシャー車からカンチレバーされた鋼鉄棒を、オーブン側面の小さなドア（レベラードア）を通じてオーブン内の石炭ピークを平らにします。この平らにするプロセスは均一なコーキングを助け、コーキングプロセス中に発生するガスがガス回収システムに流れる明確な蒸気空間と出口トンネルを提供します。オーブンに石炭が充填された後、レベラードアを閉じ、充填ポートの蓋を戻して湿った粘土混合物で密封（ルーティング）し、吸引を停止し、ガス混合物、吸引を停止し、ガスをオフテイクシステムと集合管に導きます。

石炭炭化プロセス

石炭からコークスへの変換が始まります。熱は加熱されたレンガ壁から石炭投入量に伝達されます。約375〜475℃で、石炭は各壁近くに可塑層を形成して分解します。約475〜600℃で、タールと芳香族炭化水素化合物の顕著な発生があり、続いて可塑質量が半コークスへと再固化します。600〜1100℃で、コークス安定化フェーズが始まります。これはコークス質量の収縮、コークス構造発展、最終水素発生が特徴です。可塑段階では、可塑層が各壁からオーブン中心に向かって移動し、解放されたガスを閉じ込めてガス圧力蓄積を生じ、これが加熱壁に伝達されます。可塑層がオーブン中心で合流すると、質量全体が炭化されます。白熱コークス質量がオーブンから押し出され、湿式または乾式消火されます。

熱乾留はバッテリーと呼ばれるオーブングループで行われます。バッテリーは、高品質シリカとその他の耐火レンガで作られた共通側壁を持つ複数の隣接オーブンで構成されます。隣接オーブンを分離する壁、および各端壁は、一連の加熱フルーで構成されます。いつでも、与えられた壁のフルーの半分がガスを燃焼させ、もう半分が燃焼フルーから廃熱を「チェッカーレンガ」熱交換器に伝え、その後燃焼スタックに送ります。20〜30分ごとにバッテリーが「逆転」し、廃熱フルーが燃焼フルーになり、燃焼フルーが廃熱フルーになります。このプロセスにより石炭質量のより均一な加熱が提供されます。各オーブンの操作は周期的ですが、バッテリーは十分な数のオーブンを含むため、本質的に連続的な生コークス炉ガスフローを生成します。個々のオーブンはコーキングサイクル中、ほぼ等しい時間間隔で充填と排出が行われます。コーキングは高炉用コークスを生産するために15〜18時間進行します。この期間中、石炭の揮発分がコークス炉ガスとして蒸留分離されます。コーキング時間は石炭ブレンド、水分含有量、アンダーファイアリング速度、望ましいコークス特性によって決まります。コークス需要が低いときは、コーキング時間を24時間に延長できます。コーキング温度は一般的に900〜1100℃の範囲で、高炉用コークスを生産するために範囲の高い側に維持されます。集合管で約10mm水柱の高い水圧を維持することで、オーブンを正圧下に保ち、空気がオーブンに漏入するのを防ぎます。熱乾留中に発生するガスと炭化水素はオフテイクシステムを通じて除去され、副生プラントに送られ回収されます。

コーキングはオーブン中央温度が約950〜1000℃になると完了します。この時点でオーブンは水圧管から分離され、残留ガスの適切なベント後、ドアが開かれコークス押し出しが行われます。コーキング期間終了時、コークス質量は高い体積収縮を示し、壁からの分離をもたらし、容易な押し出しを保証します。

オーブン圧力制御は非常に重要で、低圧は空気侵入を、高圧は過度なガス発生、ドア漏れ、スタンドパイプ漏れなどを引き起こします。適切な石炭レベリングが重要で、フリーボード空間（約300mm）を維持してチョッキングを避けるよう注意が払われます。

コーキングサイクル終了時、オーブン両端のドアが取り除かれ、白熱コークスがプッシャーマシンから延長されるラムによってオーブンから押し出されます。コークスはコークスガイドを通じて消火車に押し出されます。消火車はコークスを湿式消火塔または乾式消火プラントに運び、そこで冷却されます。

コークス破碎・選別プラント

消火済みコークスはコンベアで破碎・選別プラント（コークス破碎・選別プラントとも呼ばれる）に送られます。ここでコークスは必要なサイズ分画に破碎・選別されます。破碎・選別中、コークスは3つのサイズ分画に分類されます。これらはコークスブリーズ（サイズ-10mm）、ナッツコークス（サイズ+10mm〜-25mm）、高炉用コークス（+25mm〜-80mm）です。サイズ調整済み高炉用コークスとナッツコークスは、高炉のそれぞれの貯蔵システムに輸送されます。コークスブリーズはシンタープラントに送られます。