(57)【要約】【課題】コークス強度の高精度推定方法、およびその方法を用いたコークス炉の適正操業方法の提供。【解決手段】石炭配合率と石炭銘柄毎の膨張特性を用いて石炭銘柄毎の生成コークスの空間占有率および気孔率を算出し、前記石炭銘柄毎の生成コークスの基地強度と前記気孔率を用いて石炭銘柄毎の生成コークスの強度を算出し、前記石炭銘柄毎の生成コークス強度と前記石炭銘柄毎の生成コークスの空間占有率を用いて配合炭から生成するコークスの強度を算出することを特徴とするコークス強度の推定方法、ならびに前記推定方法を用いたコークス炉の操業方法。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭配合率と石炭銘柄毎の膨張特性を用いて石炭銘柄毎の生成コークスの空間占有率および気孔率を算出し、前記石炭銘柄毎の生成コークスの基地強度と前記気孔率を用いて石炭銘柄毎の生成コークスの強度を算出し、前記石炭銘柄毎の生成コークスの強度と前記石炭銘柄毎の生成コークスの空間占有率を用いて配合炭から生成するコークスの強度を算出することを特徴とするコークス強度の推定方法。
【請求項２】
石炭配合率と石炭銘柄毎の膨張特性を用いて石炭銘柄毎の生成コークスの空間占有率および気孔率を算出し、前記石炭銘柄毎の生成コークスの基地強度と前記気孔率を用いて石炭銘柄毎の生成コークスの強度を算出し、前記石炭銘柄毎の生成コークスの強度と前記石炭銘柄毎の生成コークスの空間占有率を用いて配合炭から生成するコークスの強度を推定し、前記の推定結果に基いてコークス炉の操業を行うことを特徴とするコークス炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ばらつきの少ない所定品質のコークスを高炉に安定供給し、高炉の安定かつ高効率操業を達成するための、コークス強度の高精度推定方法およびその方法を用いたコークス炉の適正操業方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コークスは、高炉製銑法において不可欠の助剤であり、燃料、還元剤としての役割とともに、高炉内において充填層を形成し、羽口前で生成する高温ガスを均等に炉上部へ分配すると同時に、炉内で生成する溶銑およびスラグを炉下部へ滴下させるスペーサーとしての役割を果たしている。したがって、コークスの強度管理は、高炉の安定および高能率操業を行う上で不可欠の要素であり、コークス品質の的確な推定および制御は、コークス炉操業における主要命題となっている。
【０００３】
コークスの強度や反応性についての精度の高い推定が、高炉の安定操業および高能率操業を行う上で不可欠の要素であることは、高炉技術者の共通認識であり、このような観点から、コークス品質についての高精度の予測ないしは推定法に関する多くの研究がなされてきた。特に、コークス原料である石炭の性質は、製造されたコークス品質と深く関連していることから、石炭の組織やコークス化性に関する研究が精力的に進められてきた。それらの研究成果に基づいてコークス品質推定方法が開発され、多くの方法が活用されている。代表的なものとしては、例えば下記の方法が挙げられる。
【０００４】
▲１▼石炭のマセラル組織および石炭化度を用いる方法：
非特許文献１には、コークスは石炭中の可溶成分が作るマトリックスと不溶成分が作る骨材の複合体であると考え、かつ、マトリックスの強度は可溶成分の炭化度に依存するとして、石炭配合率と石炭毎のマセラル組織と炭化度とを用いて、骨材とマトリックスの構成比に関する指数とマトリックスの強度に関する指数を計算し、前記の２つの指数に基いてコークスの強度を推定する方法が開示されている。
【０００５】
▲２▼石炭の揮発分、流動度、膨張率、炭化度およびマセラル成分を用いる方法：特許文献１には、コークスを石炭中の可溶成分や不溶成分からできるコークス基地と気孔の複合体であると考え、かつ、コークス基地の強度は石炭のマセラル組織の構成と炭化度に依存するとともに、配合炭全体としての膨張率にも依存するとして、石炭配合率および石炭個々のマセラル組織、炭化度、揮発分および膨張率を用いてコークス基地の強度と気孔率を計算し、コークスの強度を推定する方法が開示されている。
【０００６】
▲３▼コークス組織から推定する方法：
特許文献２には、コークスの品質はコークスの組織構成に依存すると考えて、コークス組織のそれぞれに固有の強度指数を設定し、対象とするコークスにおいて組織分析により求められた各々の組織の存在比率と、前記の強度指数とから、強度を推定する方法が開示されている。
【０００７】
上記のような従来法は、特定範囲の銘柄の石炭については、ある程度の精度を保ってコークス強度の推定が可能である。しかし、産地の異なる石炭のように新しい銘柄を配合する場合には、一般にその推定精度が低下し、特に、多種多様な産地からの輸入石炭に依存する日本国内のコークス製造業界においては深刻な問題である。
【０００８】
従来のコークス強度推定法において、特定の石炭が使用された場合に、その推定精度が低下する具体的な原因は不明であるが、いずれにせよ、石炭のコークス化機構、および、コークスの組織ないしは構造と強度との関係がともに正確に把握されていないところに最大の原因がある。
【特許文献１】
特開昭６０−１７４９５１号公報（特許請求の範囲、３頁右上欄〜左下欄）
【特許文献２】
特開昭５７−５９１６５号公報（特許請求の範囲、２頁左上欄〜３頁右上欄）
【非特許文献１】
奥山、宮津、杉村、熊谷：燃料協会誌、４９巻、２２号（１９７０）、ｐ７３６
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上述の問題に鑑み、品質変動の少ない所定品質のコークスを高炉に安定供給し、高炉の安定かつ高効率操業を達成するための、コークス強度の高精度推定方法、およびその方法を用いたコークス炉の適正操業方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述の課題を達成するために、前記した従来の問題点について検討を加え、下記の（ａ）〜（ｃ）の知見を得た。
【００１１】
（ａ）従来は、コークスを、「石炭配合率と石炭銘柄毎の特性で決まる乾留後のコークス基地」および「気孔」の複合体として把握し、コークス強度推定式が構築されていた。しかし、石炭は、銘柄毎に乾留時の膨張特性が異なるため、生成したコークスの気孔率も石炭銘柄毎に相違し、これがコークス強度の推定に誤差を生じる原因となっていた。
【００１２】
（ｂ）前記（ａ）の問題を解消するために、コークスを、「石炭銘柄毎の特性により乾留後の特性が決まる石炭銘柄毎の生成コークス」（以下「要素コークス」とも称する）の集合体として把握する。ここで、前記の石炭銘柄毎の要素コークスは、「石炭銘柄毎の要素コークスの基地」および「銘柄毎の要素コークスに含まれる気孔」の複合体である。
【００１３】
（ｃ）コークスを前記（ｂ）の要素コークスの集合体として把握し、各要素コークスの基地強度、各要素コークスの気孔率および各要素コークスの体積比率を用いて、全体としてのコークス強度推定式を構築することにより、コークス強度の推定精度を向上させることができる。
【００１４】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）および（２）に示すコークス強度の推定方法およびコークス炉の操業方法である。
【００１５】
（１）石炭配合率と石炭銘柄毎の膨張特性を用いて石炭銘柄毎の生成コークスの空間占有率および気孔率を算出し、前記石炭銘柄毎の生成コークスの基地強度と前記気孔率を用いて石炭銘柄毎の生成コークスの強度を算出し、前記石炭銘柄毎の生成コークスの強度と前記石炭銘柄毎の生成コークスの空間占有率を用いて配合炭から生成するコークスの強度を算出するコークス強度の推定方法。
【００１６】
（２）石炭配合率と石炭銘柄毎の膨張特性を用いて石炭銘柄毎の生成コークスの空間占有率および気孔率を算出し、前記石炭銘柄毎の生成コークスの基地強度と前記気孔率を用いて石炭銘柄毎の生成コークスの強度を算出し、前記石炭銘柄毎の生成コークスの強度と前記石炭銘柄毎の生成コークスの空間占有率を用いて配合炭から生成するコークスの強度を推定し、前記推定結果に基いてコークス炉の操業を行うコークス炉の操業方法。
【００１７】
本発明において、「膨張特性」とは、石炭が昇温乾留過程において膨張する特性をいい、例えば、ＪＩＳ８８０１号により規定される方法に準じて測定される体積膨張率に基いて求めることができる。
「空間占有率」とは、石炭が膨張後に空間を占める比率をいい、石炭の嵩密度、膨張率、石炭の配合率および石炭の見かけ密度を用いて求めることができる。「石炭銘柄毎の生成コークス」とは、石炭銘柄毎に乾留により生成する気孔も含めた前記の要素コークスをいう。
【００１８】
「配合炭」とは、複数銘柄の石炭を配合した配合石炭を意味する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（Ａ）コークスの構造物としての把握
従来、コークスは、コークス基地および気孔の複合体であり、したがって、コークス強度は、コークス基地の強度および気孔率により決定されると考えて、コークス強度の推定などが行われてきた。本発明においても、基本的には従来法と同様に、上述の考え方に基いてコークスの構造および強度を把握するが、従来法と本発明法との決定的な相違は下記の点にある。
【００２０】
従来法においては、コークスを「石炭配合率と石炭銘柄毎の特性で決まる乾留後のコークス基地」および「気孔」の複合体として把握し、その強度推定に当たっては、前記のコークス基地からなる多孔体の強度推定方法が適用できるとして強度推定式が作成されていた。
【００２１】
しかし、石炭は、銘柄毎に乾留時の膨張特性が異なるため、生成したコークスの気孔率も石炭銘柄毎に相違する。それにも拘わらず、従来法においては、この気孔率を一律に、平均的な気孔率としてしか評価できなかった点に、コークス強度の推定誤差を生じる最大の原因があったと考えられる。
【００２２】
これに対して、本発明では、コークスを下記の▲１▼〜▲３▼に示す新しい視点から把握した。
【００２３】
▲１▼石炭は乾留されると、「石炭銘柄毎の乾留特性により特性の定まる要素コークス」を生成する。この要素コークスは、「石炭銘柄毎の膨張特性などにより定まる気孔」を形成する。
【００２４】
▲２▼コークスは、「乾留により生成した石炭銘柄毎の前記▲１▼に記載の要素コークスの集合体」であり、「各要素コークスの体積比率」は、配合炭中の各石炭銘柄の配合率、およびそれらの銘柄毎の石炭が各要素コークスを生成する際の膨張特性を考慮した「各空間占有率」により決定される。
【００２５】
▲３▼配合炭を乾留して生成する全体としてのコークスの強度は、前記▲１▼および▲２▼に記載された各要素コークスの強度と、各要素コークスの空間占有率との積和により推定できる。
【００２６】
（Ｂ）コークス強度の推定方法
前記のコークスの構造と強度の関系に関する二つの捉え方、すなわち従来法と、本発明法における捉え方の相違点を、強度推定の観点から以下にさらに具体的に説明する。
【００２７】
多孔体の強度Ｓ（ＭＰａ）は、基地の強度Ｓ０（ＭＰａ）、気孔率Ｅｐ（−）、および多孔体の強度におよぼす気孔率の影響を示す定数ａ（−）を用いて一般に次式により記述される。
【００２８】
Ｓ＝Ｓ０×ｅｘｐ（−ａ×Ｅｐ）      ・・・・（１）
コークスの強度も上記（１）式により記述されるとして、従来法にしたがってコークスの強度を推定する場合には、コークス基地は、石炭銘柄ｉの石炭配合率ｂｉ（−）と、銘柄ｉの石炭から乾留により生成する要素コークスの基地強度Ｓ０ｉ（ＭＰａ）に依存するとする従来法の考え方では、コークス基地強度は、下記の（２）式により記述される。
【００２９】
Ｓ０＝Σ（ｂｉ×Ｓ０ｉ）              ・・・・（２）
また、気孔率は、配合炭の配合条件と石炭銘柄の個々の特性をもとにしてコークス全体としての気孔率として与えられるので、コークスの強度は下記の（３）式により与えられる。
Ｓ＝｛Σ（ｂｉ×Ｓ０ｉ）｝×ｅｘｐ（−ａ×Ｅｐ）  ・・・・（３）
これに対して、本発明においては、石炭銘柄ｉの石炭から生成する要素コークスの強度は、要素コークス毎の基地強度Ｓ０ｉ、および要素コークス毎の気孔率Ｅｐｉを用いて、下記の（４）式により記述される。
Ｓｉ＝Ｓ０ｉ×ｅｘｐ（−ａ×Ｅｐｉ）                        ・・・・（４）
また、コークス全体としての強度は、ｉ銘柄の要素コークスの強度を銘柄全体について体積平均することによりにより求められるとして、ｉ銘柄の要素コークスの空間占有率Ｖｉとの積和を求め、下記の（５）式のように記述される。
Ｓ＝Σ｛Ｖｉ×Ｓ０ｉ×ｅｘｐ（−ａ×Ｅｐｉ）｝    ・・・・（５）
ここで、従来法による強度推定方法と本発明法による強度推定方法とを比較すると下記のようになる。
【００３０】
本発明法により推定される要素コークスの気孔率の総計は、従来法により推定されるコークス全体としての気孔率に等しく、また、本発明法により推定される要素コークス全体の基地強度も、従来法により推定されるコークス全体の基地強度に等しい。しかし、従来法および本発明法により算出される、気孔も含めたコークス全体としての強度は、前記（３）式および（５）式の比較から明らかなように、石炭銘柄毎の要素コークスの気孔率に差異がある場合には、異なる値となる。
【００３１】
したがって、たとえ配合炭の平均値としての膨張率が同じ場合であっても、石炭銘柄毎の膨張特性に差異があれば、生成するコークス中に占める要素コークス毎の空間占有率および気孔率には、膨張特性の相違に起因する差異が生じる。上述の影響を考慮するか否かにより、コークス強度の推定結果には前記（３）式と（５）式の相違に基く差異が生じることになるが、この視点をコークス品質の推定に反映させた例は見当たらない。
【００３２】
本発明は、この差異がコークス強度推定精度低下の主要因であることを究明し、この差異を踏まえた上で、コークス強度推定精度の向上を図ろうとするものである。
【００３３】
膨張率の差異が、要素コークス毎の空間占有率ならびに気孔率におよぼす影響の具体的な定量化方法としては、下記の方法が有効である。
【００３４】
すなわち、一般に、石炭は温度上昇にともなって膨張し、溶融し、その後固化する。そこで、銘柄ｉの石炭の温度Ｔにおける体積と加熱前の体積との比をＤｉ（Ｔ）とし、配合炭の嵩密度、銘柄ｉの石炭の配合率、および見かけ密度をそれぞれρｂ（ｋｇ／ｍ３−ｂｅｄ）、ｂｉ（−）、およびρｃｉ（ｋｇ／ｍ３）とすれば、温度Ｔ（℃）における銘柄ｉの石炭の空間占有率Ｖｉ（Ｔ）（−）は下記の（６）式により、また、配合炭全体の空間占有率Ｖ（Ｔ）（−）は下記の（７）式により、記述できる。
Ｖｉ（Ｔ）＝ρｂ×Ｄｉ（Ｔ）×ｂｉ／ρｃｉ                    ・・・・（６）
Ｖ（Ｔ）＝ΣＶｉ（Ｔ）                                ・・・・（７）
ここで、配合炭全体の空間占有率は、温度と共に増大するが、配合炭は、コークス炉の炭化室や試験容器などの所定空間内に拘束されているため、１を超えることはない。したがって、前記（７）式を温度の関数として計算し、温度の上昇にともなって（７）式の値が１を超える場合には、（７）式の値が１となる時点の温度で石炭全体の膨張が停止し、各石炭銘柄由来の要素コークスの空間占有率が決定される。
【００３５】
配合炭全体の体積が膨張終了時点においても１を超えない場合には、配合炭全体の体積膨張が終了する時点における各銘柄石炭の空間占有率が、各銘柄由来の要素コークスの空間占有率になると考える。
【００３６】
要素コークスの空間占有率が求められれば、要素コークスの気孔率Ｅｐｉは、例えば次式により算出することができる。
【００３７】
Ｅｐｉ＝１−ρｃｉ×（１−ＸＶＭｉ）／ρｓｉ／Ｄｉ（Ｔ）  ・・・・（８）
ここで、ＸＶＭｉは、ｉ銘柄石炭の揮発分含有率（−）、ρｓｉは、ｉ銘柄石炭が溶融、膨張、および脱気後、固化した時点でのセミコークス段階におけるコークス基地の見かけ密度（ｋｇ／ｍ３）を表す。
【００３８】
また、個々の銘柄石炭から生成する要素コークスの基地強度Ｓ０ｉは、個々の銘柄石炭に固有の値であるから、予め、銘柄石炭毎にその値を求めておき、随時使用すればよい。
【００３９】
このように、本発明法により、コークス強度推定精度が向上すると、高炉の安定操業面から要請される適正コークス強度に対して、推定強度に余裕を持たせた石炭配合とする必要がなくなり、コークス強度を高めるための高価な強粘結炭の配合率を低減することが可能となる。
【００４０】
すなわち、従来のコークス炉操業においては、コークス強度推定精度の誤差に基く製品コークス強度の低下が高炉操業に悪影響をおよぼす危険性を回避するため、その安全代を考慮して、高炉の安定操業のために必要とされるコークス強度に、強度推定精度のばらつき量を上乗せした高いコークス強度が得られるように、石炭配合を行っていた。
【００４１】
これに対して、本発明法によるコークス強度推定法を用いれば、強度推定誤差が少ないことから、コークス炉で製造されたコークス強度の低下による高炉操業への影響の可能性は小さくなり、したがって、高炉の安定操業のために必要とされるコークス強度に対して上乗せを要する推定精度のばらつき量が低減する。よって、コークス強度をオーバースペックとする必要性がなくなり、コークス強度を高めるための高価な強粘結炭の配合率を低減することが可能となるのである。
【００４２】
【実施例】
本発明法の効果を確認するため、下記の方法によりコークス強度の推定を実施し、従来法との推定精度の比較を行った。
【００４３】
コークス強度を推定する場合に、要素コークスの空間占有率Ｖｉおよび気孔率Ｅｐｉを計算する必要がある。ここでは、前記の（６）式および（８）式による方法を採用した。
Ｖｉ＝ρｂ×Ｄｉ×ｂｉ／ρｃｉ                          ・・・・（６）
Ｅｐｉ＝１−ρｃｉ×（１−ＸＶＭｉ）／ρｓｉ／Ｄｉ  ・・・・（８）
ここで、
Ｖｉ：石炭銘柄ｉの膨張完了時点での要素コークスの空間占有率（−）、
Ｄｉ：石炭銘柄ｉの膨張率（膨張完了時点での体積と加熱前の体積との比）（−）、
また、各要素コークスの複合体としてのコークスの圧縮強度Ｓｃ（ＭＰａ）を下記の（９）式により計算した。
Ｓｃ＝Σ｛Ｖｉ×Ｓｃｏｉ×ｅｘｐ（−ａ×Ｅｐｉ）｝    ・・・・（９）
ここで、
Ｓｃｏｉ：ｉ銘柄のコークス基地の圧縮強度（ＭＰａ）
さらに、コークスの強度指標であるドラム強度指数ＤＩ１５（％）計算には、下記の（１０）〜（１３）式を採用した。
【００４４】
ＤＩ１５＝１００×ｅｘｐ［−｛１５０×ｅ／（Ｅ／Ｍ）｝（０．０１５／Ｄｐ）γ］・・（１０）
ただし、
（Ｅ／Ｍ）＝１９０×（１５０×ｅ）０．１×Ｄｐ−０．２・×Ｖ−０．５・（Ｓｃ／１０６）１．４  ・・（１１）
γ＝３４００×（１５０×ｅ）−０．３×Ｄｐ−０．７５×Ｖ１．０・×（Ｓｃ／１０６）−１．９    ・・（１２）
ｅ＝１．５×Ｖ２／２、    Ｖ＝５ｍ／ｓ                        ・・・（１３）
ここで、
ｅ：衝撃１回当たりの比衝突エネルギー（Ｊ／ｋｇ）、
（Ｅ／Ｍ）：単位質量（１ｋｇ）の粉を生成するために必要なエネルギー（ｋＪ／ｋｇ）、
Ｄｐ：粒子の初期直径（ｍ）、
γ：破砕粉の粒度分布指数（−）、
Ｖ：粒子の衝突速度（ｍ／ｓ）、
石炭銘柄ｉの配合率ｂｉ、配合炭の嵩密度ρｂ、膨張率Ｄｉ、見かけ密度ρｃｉ、溶融、膨張および固化直後のセミコークス段階におけるコークス基地の見かけ密度ρｓｉ、揮発分含有率ＸＶＭｉ、およびコークス基地の圧縮強度Ｓｃｏｉなどの値は、予め測定され、データベース化されている。したがって、これらのデータを用いて前記の強度推定式により計算することにより、コークス強度の推定が可能となる。
【００４５】
表１に、データベース化されている数値の例を示した。
【００４６】
【表１】
2004149606.tif 000003
【００４７】
これらのデータを用いてコークス強度の推定を行った結果を示す。なお、配合炭の嵩密度ρｂは７８０ｋｇ／ｍ３−ｂｅｄとし、コークス強度（ドラム強度）試験条件であるコークス粒子の初期直径Ｄｐは０．０５ｍとした。
【００４８】
図１は、従来法によるコークス強度指数ＤＩ１５の推定精度を示す図である。ここで、従来法としては、前記の特許文献１に記載された強度推定方法を用いた。
【００４９】
図２は、本発明法によるコークス強度指数ＤＩ１５の推定精度を示す図である。
【００５０】
両図において、標準偏差として示した数値は、コークス強度指数の推定精度の標準偏差を表し、括弧内の数値は、コークス強度実績値の標準偏差を表す。さらに、図内の実線は、推定実績の回帰直線を表す。
【００５１】
図１および図２の結果の比較から、本発明法によるコークス強度指数の推定精度は、従来法による推定精度をはるかに凌ぐものであることを確認できた。
【００５２】
従来は、コークス強度の推定精度が低い分だけ、高価な強粘結炭の配合比率を高くすることによりコークス強度指数ＤＩ１５が管理値（約８３．８％）を下回る危険性を回避してきた。この結果、高価な強粘結炭を必要以上に多量に使用し、コークス炉で製造されたコークス強度の平均値を、高炉操業において必要とされる強度よりも過剰なまでに高くするという不経済なコークス炉操業を行わざるを得なかった。
【００５３】
これに対して、本発明法によるコークス強度推定精度の向上により、上記の不経済な操業が排除され、コークス炉操業における大幅な製造コスト低減が達成されることとなった。
【００５４】
すなわち、従来法によるコークス強度推定誤差と、本発明法によるコークス強度推定誤差を、その標準偏差により比較すると、従来法においては０．５７３％であったのに対して、本発明法においては０．３９９％の低減しており、その差は０．１７４％である。したがって、本発明法によれば、従来法に比較して、コークス強度推定値をその平均値で２×０．１７４％だけ低下させる石炭配合とすることが可能となる。
【００５５】
コークス炉操業において、コークス強度指数を１％上昇させるために必要な石炭配合率変更のコストは、原料石炭費の約７％に相当することを勘案すれば、本発明法の経済効果は、石炭費で、２×０．１７４（％−コークス強度指数）×７（％−原料石炭費／％−コークス強度指数）＝２．４（％−原料石炭費）となって、２．４％の原料石炭費のコスト削減に相当する。
さらには、コークス強度のばらつき幅の縮小がもたらす高炉の安定操業および操業効率の向上も、これに付加されることになる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、石炭配合を用いてコークス強度を高精度で推定することができるから、品質変動の少ない所定品質のコークスを高炉に安定供給し、高炉の安定かつ高効率操業を達成できる。また、コークス強度の推定誤差が低減できたことにより、高炉に供給するコークスの平均強度を引き下げることが可能となり、コークス炉操業における配合炭のコストを大幅に削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来法によるコークス強度指数ＤＩ１５の推定精度を示す図である。
【図２】本発明法によるコークス強度指数ＤＩ１５の推定精度を示す図である。
【図１】
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【図２】
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