コークス：製鋼プロセスにおける必須燃料および還元剤

定義と基本概念

コークスは、主に冶金用石炭の破壊的蒸留（熱分解）から得られる炭素が豊富な固体燃料です。これは、特に高炉操作において、一次製鋼プロセスにおける重要な還元剤およびエネルギー源です。コークスは高炉内で必要な構造的支持を提供し、透過性を維持し、鉄鉱石の化学的還元を促進して液体鉄を生成します。

製鋼チェーン内では、コークスは選定された石炭からコークス炉で生産され、その後高炉に輸送されます。コークスは、高温を生成するための燃料として、また鉄酸化物を金属鉄に変換するための化学還元剤として機能します。その役割は、統合製鉄所の効率、生産性、環境性能にとって中心的です。

技術設計と運用

コア技術

コークス生産は、コークス炉内での冶金用石炭の破壊的蒸留を制御された高温条件下で行います。このプロセスでは、空気のない状態で石炭を加熱し、揮発性化合物が蒸発して逃げ、固体の炭素残渣—コークスが残ります。

主要な技術コンポーネントには、コークス炉室、加熱システム、およびガス収集インフラが含まれます。炉室は通常、高温に耐える耐火レンガで lined された長方形または円筒形の室です。加熱システムは、煙道を介して間接的に熱を供給するか、回収されて他の場所で利用されるコークス炉ガスの燃焼によって熱を供給します。

材料の流れは、石炭を炉に充填することから始まり、次に約1000〜1100°Cでの炭化が続きます。放出された揮発性ガスは収集され、冷却され、副産物回収のために処理されます。一方、固体コークスは冷却されて排出されるまで炉内に残ります。

プロセスパラメータ

重要なプロセス変数には以下が含まれます：

性能パラメータ	典型的な範囲	影響要因	制御方法
炭化温度	1000–1100°C	石炭の種類、炉の設計	温度センサー、自動制御システム
加熱速度	1–3°C/分	石炭の水分、炉の断熱性	プロセス制御アルゴリズム、予熱
保持時間	15–24時間	炉のサイズ、石炭のブレンド	プロセススケジューリング、リアルタイム監視
コークスの水分含量	< 5%	冷却速度、取り扱い	制御冷却、水分測定

これらのパラメータは、コークスの品質、強度、孔隙率、反応性に影響を与えます。正確な制御は、一貫した製品特性と最適なガス回収を確保します。

制御システムは、高度なセンサー、自動化、およびフィードバックループを使用して安定した運転条件を維持します。温度、圧力、およびガス組成の継続的な監視は、効率と製品品質を最適化するのに役立ちます。

設備構成

典型的なコークス炉の設置は、ビーハイブ、ボックス、またはバッテリー炉であり、現代のプラントは高い容量と効率のためにバッテリー炉を好みます。標準的なバッテリーは、直列に配置された20〜100の炉を含むことができ、各炉の長さは約6〜12メートル、幅は4〜6メートル、高さは4〜6メートルです。

設計の進化には、従来のビーハイブ炉から、再生加熱を備えた副産物コークス炉など、より環境に優しくエネルギー効率の高いコークス炉への移行が含まれます。補助システムには、石炭準備ユニット、充填車、急冷システム、およびガス清浄装置が含まれます。

耐火ライニングは、非常に高温と化学攻撃に耐えるように設計された重要なコンポーネントです。ガススクラバー、集塵装置、熱回収ユニットなどの補助システムは、環境規制の遵守とエネルギー効率に不可欠です。

プロセス化学と冶金

化学反応

コークス生産中の主要な化学反応は、石炭の有機成分の熱分解を含みます。タール、軽質炭化水素、メタン、一酸化炭素、水素などの揮発性化合物が放出されます。

主な反応には以下が含まれます：

• 石炭成分の熱分解：
  石炭 (C, H, O, N, S) → チャー（炭素が豊富な固体） + 揮発性ガス (CO, CO₂, CH₄, H₂, タール)

• 加熱中のガス化反応：
  C + O₂ → CO₂
  C + CO₂ → 2CO
  C + H₂O → CO + H₂

熱力学は、高温でのCOおよびH₂の生成を促進し、これは高炉内の鉄酸化物の還元に不可欠です。

重要な反応生成物には、一酸化炭素（CO）が含まれ、これは主要な還元剤として機能し、燃焼およびガス化プロセス中に生成される二酸化炭素（CO₂）も含まれます。

冶金的変化

コークス形成中、石炭の有機物は脱揮発化を経て、多孔質で炭素が豊富な構造を持ち、高い機械的強度を持つようになります。微細構造的には、コークスはガスの流れを促進する孔のネットワークを持つ融合した炭素粒子で構成されています。

冶金的変化は、コークスから生成されたCOおよびH₂ガスによる高炉内の鉄酸化物（Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO）の還元を含みます。この還元は複数の段階を経て進行し、液体鋳鉄とスラグを生成します。

コークスの微細構造は、その反応性と強度に影響を与えます。高強度で低孔隙率のコークスは、炉内での劣化に抵抗し、透過性を維持し、チュイールの摩耗やガスのチャネリングなどの運用上の問題を減少させます。

材料相互作用

コークス、スラグ、耐火ライニング