効率的なコークス生産のための石炭ブレンド選定の最適化

コークス製造における石炭ブレンドへの石炭選定

石炭ブレンドは、高コストなプライム/ハードコーキングコール比率を下げ、ミディアム/ソフトコーキングコールで置換する経済的観点から必要です。一部コークス炉プラントでは非コーキング/蒸気石炭少量ブレンド実績もあります。

副生成物コークス炉用適正石炭ブレンド選定は、以下多様要件充足必要でコークス製造者にとって常に大きな挑戦です。

• 石炭調製時破砕要件充足: 全成分が過剰破砕・不足破砕されないこと。装入用サイズドブレンドは密度、フロー、粒度分画要件充足。
• BFコークス品質要件充足に必要なコーキング・ケーキング特性保有: BFコークス三大品質要件 (i) BF内吸熱反応熱供給、(ii) 必要還元ガス生成による還元剤役割、(iii) 鉄原料担持用透過性サポート提供。
• コークス炉安全プッシング性能: コーキング過程で炉壁過剰圧力発生・損傷させないこと。
• BFコークスおよびコークス炉ガス収率要件充足: 適正ブレンドは過剰ナッツコークス・コークスブリーズ生成せず。
• 経済性確保。

上記多様要件鑑み、ブレンド決定はアドホックでなく慎重検討後実施。スループット、高品質、コスト効率等競合要件バランス達成、電池寿命重要性考慮しブレンド設計必須。

ブレンド設計焦点項目（図1）

上記要件踏まえ、ブレンド設計重点項目:

1. コークス物理的特性充足
2. コークス化学的特性充足
3. コークス炉プッシング性能充足
4. 低価値炭素材料（ソフトコール）最大活用
5. 経済的要件充足
6. 石炭成分継続入手性確保（頻繁ブレンド変更回避）

図1 石炭ブレンド設計要件

ブレンド設計手順

通常以下ステップ実施。新規石炭追加時も同様手順必須。

1. 品質データシート評価: 供給者提供データシートベースで品質評価、ブレンド適否判断。コスト・長期入手性確認。一次条件充足なら5kgサンプル請求。
2. ラボ試験: 5kgサンプルで各種試験実施、石炭品質確認、供給者データシート整合性検証。試験結果でブレンド配合率決定。予備経済評価実施。評価満足ならパイロットオーブン炭化試験用十分量発注。
3. パイロットオーブン炭化試験: (i) 新規石炭100%、(ii) 計画配合率新規石炭含むブレンド で実施。収縮試験・ガス圧試験並行実施。試験成功なら計画配合率でプラント試験実施。全パラメータ厳重監視。
4. 本採用: プラント試験成功なら定常ブレンド採用。

最終選定時は価格、石炭調製プラント要件、調達時品質管理も考慮。

ブレンド設計注目石炭特性

コークス物理的特性向けブレンド設計

安定高炉操業重要コークス物理特性: (i) コークス反応性指数（CRI）、(ii) 反応後強度（CSR）、(iii) ミクム指数。

• CRI: 常温コークス破壊抵抗力測定。BF外部・上部挙動反映。
• CSR: BF還元雰囲気曝露後強度指標。高温CO/CO₂環境（BF下部2/3領域）での微粒化ポテンシャル測定。
• ミクム指数: ドラム試験。常温強度指標。M40（+40mm丸穴残存率、100回転後）大、M10（-10mm丸穴通過率、100回転後）小 → 高強度コークス。

石炭岩相分析（ペトログラフィック分析）はコークス強度予測主要ツール。強度予測重要石炭特性:

• 坩堝膨張数（CSN）: コーキングコール範囲 3〜6。プライムコーキングコール高CSN、ソフトコーキングコール低CSN。
• 最大膨張度: 最小55%。ブレンド成分最大膨張度依存。
• 最大流動度: コーキングコール最小600 ddpm。高流動度→コークス炉内流動性向上。
• グレイキングコークタイプ: コーキングコール最小G5。ソフトコーキングコール下限G min。
• 平均最大反射率（MMR）: コーキングコール範囲 0.85〜1.35%。ソフトコール低MMR、ハードコール高MMR。
• ビトリナイト含有量: コーキングコール最小50%。ソフトコール下限45%。
• ビトリナイト分布（V9〜V14）: コーキングコール最小70%。

コークスサイズ向けブレンド設計

生成コークスサイズはブレンド中不活性成分量影響。不活性成分減少→コークスサイズ減少。石炭タイプ影響大。操業変数依存度も高い。通常コークスサイズはスクリーニング制御。

コークス・コークス炉ガス収率向けブレンド設計

コークス炉生成コークス量は石炭揮発分に反比例。揮発分範囲も高強度コークス生産重要。揮発分はコークス炉ガス収率影響（製鉄所ガスバランス重要パラメータ）。

コークス化学的特性向けブレンド設計

物理的安定原料前提で、化学的特性制御でBFプロセス更制御。重要コークス化学特性: 水分、固定炭素、灰分、硫黄、リン、アルカリ。多くは使用石炭依存。コークス灰分・硫黄・アルカリはCSR悪影響。リンはCSR正影響だが熱金属全量移行し望ましくない。高品質・高収率コークス得るには、ブレンド低水分・低灰分・低硫黄・低アルカリ・低リン・高固定炭素望ましい。さらに灰融点はコーキング温度以上必須。

コークス炉プッシング性能向けブレンド設計

最大コーキング圧力 0.14 kgf/cm² 超過不可。固有石炭特性中、ランクと不活性含有量がコークス炉壁圧力へ主要影響。ランクはコーキング圧力と直接相関。低揮発分コール→過剰コーキング圧力。だが高コークス強度・高収率寄与。同ランク高インエルティナイト含有コール→低圧力。豪州低揮発分コール一般に低壁圧力→ブレンド圧力低減目的で採用。商用炉壁圧力測定困難ため、パイロットオーブン壁圧・ガス圧測定値と商用炉ガス圧測定値相関づけ。相関確立後、商用施設ガス圧測定でコーキング圧監視。ガス圧はランク増大で上昇、インエルティナイト増大で低下。

石炭収縮はコーキング過程2フェーズで発生。第1フェーズ: 可塑層形成期、石炭特性主依存。可塑層半コークス化後、第2フェーズ: 半コークス収縮期、操業条件主依存。一般に最大流動度値で第1フェーズ側方収縮予測。垂直収縮は主にコーキング温度・加熱率等操業パラメータ依存。

低価値炭素材料最大活用向けブレンド設計

運転コスト低減・コークス品質維持両立へ、低価値炭素材料を変動量ブレンド添加。ソフトコール、石炭微粉、コークスブリーズ、コールタール、石油コーク、アスファルテン（蒸留残渣）、非コーキングコール等、適量・適切ブレンド種へ添加でコークス品質・コーキング操業好影響実績。低コスト、良好操業、資源節約達成。

酸化（風化）石炭も低価値炭素材料と見なす。酸化一般にCSR低下、安定性低下、コークスサイズ減少、収率悪化、膨張・壁圧特性悪化。CSR最も酸化感受性大、最低ランクコールで低下幅最大。酸化石炭使用最小化必須。

経済的要件充足向けブレンド設計

ブレンド技術的評価は、生産コークス利用コスト経済評価で補完必須。トン当たり低コスト石炭でも、生成コークスとBF使用を統合考慮すると非経済的ケースあり。石炭品質悪化→コークス炉収率悪化、BFコークス消費増大、BF生産性悪影響も。したがってブレンド設計はコークス炉見かけ経済性でなく、使用点（BF）で究極的に経済的であること確保必要。BFで最大潜在コスト削減もたらすコークス生成ブレンド採用がコークスプラント実装標準。

継続入手性保証向けブレンド設計

頻繁ブレンド変更回避へ、長期入手性確保できない石炭はブレンド採用候補から除外。

以上、コークス製造ブレンドへの石炭選定手順説明から、スループット、高コークス品質、電池寿命、コスト効率、総合経済性、安定石炭供給保証のバランス達成必要性明確。