コークス炉バッテリー：製鉄におけるコークス生産のための必須設備
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定義と基本概念
コークス炉バッテリーは、製鉄の初期処理段階で使用される複数のコークス炉の大規模な統合アセンブリです。その基本的な目的は、冶金用石炭をコークスに変換することであり、コークスは高炭素の固体燃料であり、高炉の運転に不可欠です。生産されたコークスは、燃料および還元剤として機能し、鉄鉱石を液体鉄に変換するのを助けます。
製鉄の製造チェーンの中で、コークス炉バッテリーは早期の重要な位置を占めています。これは、生の石炭処理と高炉をつなぎ、高品質のコークスの継続的な供給を確保します。プロセスフローは、石炭の準備から始まり、炉バッテリーでのコークス化を経て、コークスの冷却と取り扱いを経て高炉に供給されます。
技術設計と運用
コア技術
コークス炉バッテリーのコアエンジニアリング原則は、密閉された高温環境で石炭を熱分解してコークスを生成することです。このプロセスは、空気のない状態で石炭を制御された温度で加熱することに依存し、揮発性物質が蒸発し、固体の炭素残渣が残ります。
主要な技術コンポーネントには以下が含まれます：
- 炉室：石炭が加熱される耐火材で linedされた室。
- 充填台車：石炭を炉にロードする機械システム。
- 加熱壁：熱を保持し、伝達する耐火構造。
- ガスコレクターと煙道：コークス化中に放出される揮発性ガスを捕集するシステム。
- 冷却システム：コークス化後にコークスを迅速に冷却し、固化するための装置。
主要な運転メカニズムは、連続的な充填、加熱、コークス化、冷却サイクルを含みます。材料フローには、石炭の投入、揮発物の放出、ガスの収集、コークスの除去が含まれ、すべてがスループットと品質を最適化するために同期されています。
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：
- コークス化温度：通常1000°Cから1100°Cの間で、コークスの品質と揮発物の放出に影響します。
- コークス化時間：通常16から24時間で、炉の設計と石炭の種類によります。
- 加熱速度：構造的損傷を防ぐために制御され、一般的には加熱段階で約20°C/時間です。
- ガス圧と流量：揮発物の効率的な収集を確保し、漏れを防ぐために監視されます。
これらのパラメータは、コークスの強度、孔隙率、反応性に直接影響します。温度、圧力、ガス組成を監視し、加熱と換気を調整する自動化システムを通じて、正確な制御が達成されます。
設備構成
典型的なコークス炉バッテリーは、直線的または長方形の配置で配置された一連の炉で構成され、バッテリーあたり10から100以上の炉があります。各炉の長さは約6-12メートル、幅は1.2-2メートル、高さは2-3メートルです。
設計のバリエーションには以下が含まれます：
- 副産物コークス炉：タール、ベンゼン、アンモニアなどの化学物質を回収できる。
- 非回収炉：直接冷却を行うシンプルな設計で、主に化学回収の重要性が低い地域で使用されます。
補助システムには以下が含まれます：
- 充填および排出装置：機械式台車、プッシャー機械。
- ガス清浄システム：静電気集塵機、スクラバー。
- 冷却および冷却ユニット：水噴霧または不活性ガスシステム。
時間の経過とともに、よりエネルギー効率が高く、環境に優しい炉の設計が進化し、耐火材料と自動化が改善されました。
プロセス化学と冶金
化学反応
コークス化中の主要な化学反応は、石炭の複雑な有機化合物の熱分解を含みます。揮発性物質には、炭化水素、タール、メタン、一酸化炭素、水素などのガスが含まれます。
主要な反応には以下が含まれます：
- 有機物の熱分解：C₁₅H₁₀ + 熱 → 揮発性ガス + 固体炭素。
- ガス化反応：炭素が高温でCO₂やH₂Oなどのガスと反応し、COとH₂を生成します。
- 二次反応：タールや芳香族炭化水素の形成、これらは凝縮または回収されることがあります。
熱力学は高温での揮発物の放出を促進し、動力学は石炭の特性と加熱速度に依存します。揮発性生成物は化学回収または燃焼のために収集されます。
冶金的変化
コークス化中に、石炭の微細構造は多孔質の非晶質マトリックスから密な結晶性コークスに変化します。微細構造の発展には以下が含まれます：
- グラファイト化：層状炭素構造の形成、強度を高めます。
- 孔隙率の発展：反応性と機械的特性を最適化するために制御されます。
- 相変化：有機物が豊富な材料から主に炭素相への移行。
これらの変化は、コークスの機械的強度、孔隙率、反応性に影響を与え、高炉の性能にとって重要です。
材料相互作用
相互作用には以下が含まれます：
- 金属とコークス：コークスは還元剤として機能し、鉄酸化物と反応して溶融鉄を生成します。
- スラグ形成：石炭やコークス灰からの不純物がスラグを形成し、運用上の問題を防ぐために管理する必要があります。
- 耐火材：高温にさらされることで耐火材が摩耗し、材料の選択とメンテナンスが必要です