(57)【要約】【課題】製鉄プロセスにおける焼結工程で使用する炭材の製造。【解決手段】下段が気流層ガス化炉、上段が気流層熱分解炉の上下２段の反応器を使用し、前記ガス化炉において、石炭と共に、酸素、又は、酸素及び水蒸気を投入して、当該石炭の部分酸化によりガス化ガスを生成し、前記熱分解炉において、石炭を投入して、当該石炭を前記ガス化炉から移動してきた前記ガス化ガスの顕熱により熱分解して、熱分解チャーと熱分解ガスを生成すると共に、前記熱分解チャーを回収し、当該回収したチャーを、鉄鋼業における焼結原料工程での炭材として使用することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下段が気流層ガス化炉、上段が気流層熱分解炉の上下二室二段の反応器を使用し、
前記ガス化炉において、石炭と共に、酸素、又は、酸素及び水蒸気を投入して、当該石炭の部分酸化によりガス化ガスを生成し、前記熱分解炉において、石炭を投入して、当該石炭を前記ガス化炉から移動してきた前記ガス化ガスの顕熱により熱分解して、熱分解チャーと熱分解ガスを生成すると共に、前記熱分解チャーを回収し、当該回収したチャーを、鉄鋼業における焼結原料工程での炭材として使用することを特徴とする熱分解チャーの焼結用炭材としての利用方法。
【請求項２】
前記熱分解炉内の温度を１２００℃以上とすることを特徴とする請求項１記載の熱分解チャーの焼結用炭材としての利用方法。
【請求項３】
前記熱分解炉内の圧力を2.0MPa以上とすることを特徴とする請求項２記載の熱分解チャーの焼結用炭材としての利用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭を気流層中で急速にガス化および熱分解させて、ガス、タール、チャーを製造するプロセスから生成したチャーを、製鉄プロセスにおける焼結工程で使用する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼製造プロセスにおいて、鉄鉱石は高炉で使用するために原料焼結工程において焼結鉱とする必要がある。原料焼結工程において、現状では、粒径が小さすぎて高炉で使用できない粉コークスに加え、足りない分を石炭等で補充した炭材を、鉄鉱石に混合して、炭材の燃焼熱を用いて焼き固められている。
原料焼結工程における該燃焼の際に炭材中の窒素分より窒素酸化物が発生することは一般に知られており、その結果、焼結排ガス中には窒素酸化物が含まれる。排ガス中の窒素酸化物濃度は厳しく規制されているため、現状は窒素酸化物の発生を抑制するために、炭材として窒素含有量の少ない無煙炭が粉コークス等と混合されて用いられている。
また、粉コークスで足りない分の炭材の他の製造方法として、ロータリーキルンや室炉による石炭等の熱分解による方法が知られている。特許文献１および特許文献２に気流層での石炭熱分解によりガス、タール（オイル）、チャーを製造する方法を示す。同方法では石炭を微粉として気流搬送し、石炭ガス化による高温ガスと混合することで効率良く石炭熱分解を行うことが可能である。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２９５３７１号公報
【特許文献２】特開２００４−２１７８６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
焼結排ガス中の窒素酸化物を低減するために使用される低窒素無煙炭は、世界的に見ても産地が限定され、近年入手が困難になってきている。
また、ロータリーキルンや室炉といった方法では、石炭の加熱温度を６００〜１１００℃程度までしか上げられないため、得られる炭材中の窒素量は、原料石炭に比べて殆ど減少せず、低窒素無煙炭代替として利用できない。
本発明においては、上記問題点に鑑み、原料焼結工程において、粉コークスで足りない分の炭材を補充することができる新規な焼結用炭材を提供することを目的とする。また、従来より使用しているが入手が困難になってきた低窒素無煙炭を代替することが可能な焼結用炭材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
製鉄プロセスにおける焼結工程では、鉄鉱石を炭材と混合し炭材を燃焼させて鉄鉱石を焼き固めることで焼結鉱を製造する。焼結工程での炭材燃焼時に発生する窒素酸化物は炭材由来のいわゆるFuel NOxが大部分であることは一般に知られている。窒素酸化物の発生を抑制するための最も簡単な方法は窒素を含まない炭材を使用することであるが、窒素含有量の少ない低窒素無煙炭は近年入手が困難になってきている。
窒素含有量の少ない炭材を確保できない場合には、焼結排ガス中から窒素酸化物を除去するための大がかりな脱硝設備が必要となる。また、石炭から窒素含有量の少ない炭材を製造するためには石炭を高温で処理して脱窒素すれば良いが、工業規模で効率的に石炭を処理するプロセスが存在せず、これまで行われてこなかった。
本発明者らは鋭意検討した結果、石炭を気流層で熱分解することで、石炭から揮発分とともに窒素も効率的に除去された炭材（チャー）を製造することが可能であることを見出した。
【０００６】
石炭を気流層でガス化および熱分解して炭材を製造する方法としては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されているが、生成するチャーはガス化原料として投入されることが前提となっており、生成するチャーにおいて窒素分が効果的に除去されうることが記載されていないだけでなく、焼結工程での炭材製造は想定されておらず、そのための適正条件についても示されていない。
【０００７】
本発明者等の検討により、下段がガス化炉、上段が熱分解炉の二室二段の反応器を用いて石炭をガス化および熱分解すると、効率的に石炭から窒素成分が抜けて、熱分解により生じた固体のチャーにおいては、窒素成分が少なくなることが判った。更に、熱分解温度が特定の温度以上になると粉コークス中の窒素成分割合と同程度まで窒素の割合が低下し、更に、熱分解圧力が特定の圧力以上になると無煙炭の窒素成分割合と同程度まで窒素の割合が低下することを見出して、発明を為すに至った。
【０００８】
本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
（１）下段が気流層ガス化炉、上段が気流層熱分解炉の上下二室二段の反応器を使用し、前記ガス化炉において、石炭と共に、酸素、又は、酸素及び水蒸気を投入して、当該石炭の部分酸化によりガス化ガスを生成し、前記熱分解炉において、石炭を投入して、当該石炭を前記ガス化炉から移動してきた前記ガス化ガスの顕熱により熱分解して、熱分解チャーと熱分解ガスを生成すると共に、前記熱分解チャーを回収し、当該回収したチャーを、鉄鋼業における焼結原料工程での炭材として使用することを特徴とする熱分解チャーの焼結用炭材としての利用方法。
（２）前記熱分解炉内の温度を１２００℃以上とすることを特徴とする請求項１記載の熱分解チャーの焼結用炭材としての利用方法。
（３）前記熱分解炉内の圧力を2.0MPa以上とすることを特徴とする請求項２記載の熱分解チャーの焼結用炭材としての利用方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、製鉄プロセスの原料焼結工程に使用する炭材中の窒素含有量を低減し、焼結工程からの窒素酸化物の発生を抑制することが可能となる。更に、焼結工程において、入手が困難になってきている無煙炭の一部または全部を削減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に用いる石炭熱分解装置は、下にガス化炉、上に熱分解炉を有する二室二段の反応器である。ガス化炉において石炭を、酸素をガス化剤としてガス化を行なうと、主に一酸化炭素、二酸化炭素、水素、水蒸気で構成されるガス化ガスが生成する。ガス化炉の温度は、ガス化する石炭に含まれる灰分を溶融排出する必要からその融点以上とし、一般には１３００から１６００℃程度である。ガス化炉から出て行くガスもその温度であり、熱分解炉においてこのガス化ガスと石炭および必要に応じて水素を混合することで石炭を昇温、熱分解反応を起こし生成物を得ることが二段式反応器を使用した石炭の熱分解方法である。
【００１１】
また、二室二段とすることで石炭のガス化を行う部分と熱分解を行う部分を完全に分けることができ、各部分の操作条件を個別に設定することが可能となる。ここで二室の反応器とは、反応器の構造でガス化炉と熱分解炉の間に絞りを入れて部分的に流速を増加させることにより、上室に投入された石炭粒子等が下室に落下することを防ぎ、各室で独立した反応条件を設定できる反応器を言う。
【００１２】
以下に、詳細に本発明を説明する。図１において本発明方法の概略図を示す。本装置は、熱分解炉１、ガス化炉２および両者を接続する絞り部のスロート３で主に構成される。
原料の石炭１７は石炭粉砕・供給装置１１で粉砕され窒素ガス等による気流搬送でガス化炉２および熱分解炉１に気流搬送される。
【００１３】
ガス化炉２には、ガス化用の石炭９を酸素１２、または、酸素１２および水蒸気１３とともに投入するための、１本または複数本のガス化バーナー５が設置されている。ガス化炉２においては、投入されるガス化用の石炭９にふくまれる炭素、水素をできるだけ多くＣＯ、Ｈ2に転換するためガス化用の石炭９と酸素１２、水蒸気１３を素早く混合しガス化用の石炭９から発生する揮発分をすす化する前に酸素１２や水蒸気１３と酸化反応させる必要がある。
そのために、ガス化炉２へのガス化用の石炭９と酸素１２、水蒸気１３はガス化バーナー５で吹き込まれ、急速に混合される。ガス化炉２で生成したガス化ガス１４はスロート３を通り熱分解炉１に送られる。熱分解炉１では熱分解用の石炭１０が投入されて熱分解反応が起こる。この熱分解反応によって石炭から熱分解ガス、固体の熱分解チャー（単にチャーとも言う）が生成し、また、タールについては熱分解ガスの冷却により得られる。熱分解ガスおよびタールは燃料や化学原料として使用可能である。
【００１４】
ガス化炉２の温度は、ガス化炉天井部に設置されたガス化炉温度測定用熱電対２３により、また、熱分解炉１の温度は、熱分解炉１の側壁で高さ方向には熱分解石炭吹き込みノズル４より上方に設置された熱分解温度測定用熱電対２４でそれぞれ測定される。
【００１５】
ガス化用の石炭９に含まれる灰分は１５００℃程度の高温により溶融状態のスラグ１５となるため、ガス化炉２の下部から排出できるように、スラグタップ６およびスラグ１５を捕集する水槽８を設けることが好ましい。水槽８で捕集されたスラグ１５は固化して水砕スラグ１８として排出される。
【００１６】
チャーは熱分解炉出口７から出た熱分解ガス、チャー１６を固気分離器２０で固体分離することで得られる。固気分離器２０の形態としては、サイクロ（登録商標）ンやフィルターが挙げられる。回収されたチャーは微粉のため、圧縮造粒機や押し出し造粒機、転動造粒機等の造粒機２１で適度な粒度に造粒され焼結工程２２に送られる。
【００１７】
固体のチャーは炭素および少量の灰分で主に構成されており、焼結工程における炭材として使用可能である。焼結工程においては、炭材は鉄鉱石と混合され焼結機で炭材を燃焼させ、燃焼熱により焼結鉱を製造する。
【００１８】
チャーに含まれる窒素については二室二段の気流層熱分解反応を用いることで熱分解炉においてチャーの一部がガス化炉からの水蒸気等によりガス化されることにより、石炭の熱分解がより進行することから窒素含有量が低下する。
【００１９】
尚、熱分解炉１、ガス化炉２内部の温度および圧力としては、脱窒素反応を促進し、従来焼結工程で使用されている粉コークス中の窒素含有量のレベルまで窒素含有量を低減させることが可能になるため、熱分解炉温度は1200℃以上が好ましく、更に、無煙炭中の窒素含有量のレベルまで窒素含有量を低減させるためには、圧力は2.0MPa以上であることが好ましい。また、熱分解炉１の温度はガス化用の石炭９に含まれる灰分の融点以上ではスラッギングが発生するため融点以下であることが好ましく、圧力に関しては高圧になるほど設備費が上昇するため2.5〜３MPa程度がより好ましい。
上記方法にて製造したチャーは焼結工程で使用するにあたり、０．２５mm以上、好ましくは直径１mm〜３mm程度の粒径に造粒して使用する。造粒方法としては特に規定するものではないが、バインダーとしてセメントを用いる方法がある。
なお、一般に製鉄所での焼結工程における無煙炭使用は焼結工程で使用する炭材の４０％程度であり、１０万ton／年程度の量となる。当該使用する無煙炭と同等量のチャーを製造するための本発明方法での石炭処理量は２０００ton／日程度である。
【実施例】
【００２０】
（実施例１）
図１に記載の石炭熱分解装置を用いた実施例を以下に示す。
ガス化炉には平均粒径３０μmに粉砕した石炭を気流搬送で５００kg/h投入し、酸素３５０Nm3/h、水蒸気５０kg/hを用いてガス化を行った。熱分解炉では同様に粉砕した石炭を気流搬送で１３０kg/h投入した。ガス化炉および熱分解炉内での圧力は２．５MPa（絶対圧）とした。ガス化炉温度は１５５０℃、熱分解炉における熱分解温度は１２２０℃で、１２７０Nm3/hの熱分解ガスおよび７３kg/hのチャーが回収された。
得られたガスの発熱量は２４００kcal/Nm3で燃料ガスとして使用可能である。使用した石炭の組成はＣ：７０質量％、Ｈ：５質量％、Ｎ：１．７質量％であったのに対し、得られたチャーの組成はＣ：７６質量％、Ｈ：０．７質量％、Ｎ：０．３５質量％となり窒素含有量の少ないチャーとなった。なお、石炭、チャー等の分析は、ＪＩＳに沿って行ない、たとえば、全水分はＪＩＳＭ８８１２に、元素分析（Ｃ、Ｈ、Ｎ）はＪＩＳＭ８８１３、ＪＩＳＭ８８１９に、元素分析（Ｔ−Ｓ、灰分中Ｓ）はＪＩＳＭ８８１３などに基いて行なった。
図２に同様の方法で熱分解炉に投入する石炭量を変化させることで熱分解炉の温度を変化させて生成したチャーの窒素と炭素の質量比率を示す。熱分解温度の増加に伴いチャー中窒素の炭素に対する割合が減少しており、１０５０℃で粉コークスレベル、１２００℃で低窒素無煙炭のレベルに達している。
【００２１】
（実施例２）
実施例１と同様の装置を用いて、ガス化炉および熱分解炉での圧力を0.3MPa（絶対圧）とした場合の実施例を示す。
ガス化炉での石炭量５００kg/h、熱分解炉での石炭量７０kg/hで、ガス化炉での酸素供給量３７０Nm3/h、水蒸気投入量５０kg/hとし、ガス化温度１５５０℃、熱分解温度１２２０℃で操業を行い、熱分解ガス１１４０Nm3/h、チャー６７kg/hが回収された。
得られた熱分解ガスの発熱量は１８２０kcal/Nm3で燃料ガスとして使用可能である。使用した石炭の組成は実施例と同じＣ：７０質量％、Ｈ：５質量％、Ｎ：１．７質量％、得られたチャーの組成はＣ：７５質量％、Ｈ：０．７質量％、Ｎ：１．０質量％となり窒素含有量の少ないチャーとなった。
図２に同様の方法で熱分解炉に投入する石炭量を変化させることで熱分解炉の温度を変化させて生成したチャーの窒素と炭素の比率を示す。熱分解温度の増加に伴いチャー中窒素の炭素に対する割合が減少している。
【００２２】
（比較例）
ロータリーキルンを用いて実施例と同じ石炭を熱分解したチャーの窒素と炭素の比率を図２に示す。設備制約上８００℃までしか熱分解温度は上げられていない。熱分解温度に伴い、Ｎ／Ｃの低下は見られているが、実施例に比べるとその低下は小さい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る、石炭熱分解装置の概略図である。
【図２】熱分解温度を変更した際のチャー中Ｎ／Ｃ質量比の変化を示した図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    熱分解炉
２    ガス化炉
３    スロート
４    熱分解石炭吹き込みノズル
５    ガス化バーナー
６    スラグタップ
７    熱分解炉出口
８    水槽
９    ガス化用の石炭
１０    熱分解用の石炭
１１    石炭粉砕・供給装置
１２    酸素
１３    水蒸気
１４    ガス化ガス
１５    スラグ
１６    熱分解ガス、チャー
１７    石炭
１８    水砕スラグ
１９    ガス、タール
２０    固気分離器
２１    造粒機
２２    焼結工程
２３    ガス化温度測定用熱電対
２４    熱分解温度測定用熱電対
【図１】
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【図２】
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