コークス炉：製鋼および炭素生産における重要な設備
共有
Table Of Content
Table Of Content
定義と基本概念
コークス炉は、冶金用石炭の炭化のために設計された専門的な産業炉であり、コークスを生成します。コークスは、製鉄において重要な還元剤およびエネルギー源です。これらの炉は、制御された条件下で石炭の熱分解を促進し、揮発成分を除去することによって石炭をコークスに変換します。
製鉄のプロセスチェーンにおいて、コークス炉はコークス生産プロセスの主要なステップとして機能し、コークスを高炉や他の還元施設に供給します。コークス炉は、鉄鉱石の還元に必要な燃料と化学還元剤を提供するため、全体の製鉄プロセスに不可欠です。コークス炉の運転は、コークスの品質に直接影響を与え、高炉の効率や鋼の品質などの下流プロセスに影響を及ぼします。
コークス炉は通常、統合鋼鉄プラントや専用のコークスプラント施設内に設置されています。コークスの出力は高炉の運転に入ります。ここでは、コークスが鉄還元のための燃料および炭素源として機能します。プロセスフローには、石炭の準備、炉内での炭化、コークスの冷却、および製鉄に使用する前のその後の取り扱いが含まれます。
技術設計と運転
コア技術
コークス炉は、石炭が空気のない状態で加熱されて揮発性化合物が分解されるという破壊蒸留の原理に基づいて運転されます。基本的なエンジニアリングには、高温を維持する加熱システムを備えた密閉された耐火ライニングのチャンバーが含まれ、通常は1000°Cから1100°Cの間で高温を維持します。
主要な技術コンポーネントには、炉室（コークス炉バッテリーとも呼ばれる）、加熱フル、再生加熱システム、およびガス収集システムが含まれます。炉室は、高温耐性の耐火材で作られた長い長方形または箱型の構造で、熱的ストレスや化学的攻撃に耐えるように設計されています。
加熱は、炉室を囲むか、その下を通るフルでコークス炉ガスや他の燃料の燃焼によって達成されます。熱伝達により、石炭は熱分解を受け、揮発性ガスを放出し、固体のコークスが残ります。ガス収集システムは、エネルギー回収や化学処理のためにこれらの揮発性副産物を捕らえます。
主な運転メカニズムには、石炭を炉に充填し、炭化を誘発するために加熱し、プロセスが完了した後にコークスを押し出すか冷却することが含まれます。材料の流れには、石炭の投入、熱いガス、揮発性副産物、および最終的なコークス製品が含まれます。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には、炉温、加熱速度、炭化時間、および圧力が含まれます。典型的な炉温は1000°Cから1100°Cの範囲で、均一な炭化を確保するために約20〜30°Cの加熱速度が必要です。
炭化サイクルの期間は、炉の設計や石炭の種類に応じて通常12〜36時間です。温度プロファイルを一貫して維持することで、均一なコークス品質が確保され、逸脱があると弱いまたは不規則なコークスが生じる可能性があります。
制御システムは、熱電対、ガス分析計、圧力センサーを使用して、プロセスパラメータをリアルタイムで監視します。自動制御システムは、コークスの品質と運転の安全性を最適化するために、加熱速度、ガス流量、および押し出しスケジュールを調整します。
設備構成
典型的なコークス炉バッテリーは、直列に配置された複数の炉で構成され、線形または長方形のレイアウトを形成します。各炉の長さは約6〜12メートル、幅は1.5〜2メートル、高さは2〜4メートルで、容量に応じて異なります。
現代のコークス炉は、ボックスタイプまたは蜂の巣型のデザインを特徴としており、上充填、上押し、再生加熱構成が好まれています。時間が経つにつれて、炉の設計はエネルギー効率を改善し、排出を削減し、安全性を向上させるために進化してきました。
補助システムには、石炭準備プラント（クラッシャー、スクリーン、ブレンディングステーション）、ガス清浄ユニット、熱回収システム、および冷却施設が含まれます。これらのシステムは、継続的な運転、環境遵守、およびコークス品質管理をサポートします。
プロセス化学と冶金
化学反応
コークス炉における主要な化学プロセスは、石炭の有機成分、主に炭素、水素、硫黄、窒素、および微量元素の熱分解です。炭化中には、メタン、タール、ベンゼン、その他の炭化水素などの揮発性化合物が放出されます。
主な反応は、複雑な有機分子がより単純なガスや液体に分解され、固体の炭素リッチなコークスが残ることです。例えば、石炭の熱分解は次のように要約できます：
$$\text{Coal} \xrightarrow{\text{heat}} \text{Coke} + \text{Volatile gases} + \text{Tar} $$
熱力学的には、これらの反応は吸熱反応であり、持続的な高温が必要です。反応速度は石炭のランク、粒子サイズ、加熱速度に依存し、揮発性の放出やコークスの構造に影響を与えます。
コークス炉ガス（COG）、タール、軽油などの副産物が生成されます。水素、メタン、一酸化炭素が豊富なCOGは、エネルギー利用や化学合成のために回収されることがよくあります。
冶金的変化
炭化中に、石炭の微細構造は複雑で不均一な有機マトリックスから多孔質で炭素リッチな固体に変化します。微細構造の発展には、相互接続された孔のネットワークの形成や、グラファイト構造の発展が含まれます。
相変化には、揮発性物質の喪失と固定炭素の濃縮が含まれます。結果として得られるコークスは、高い強度、多孔性、および熱的安定性を示し、高炉の負荷を支えるために不可欠です。
これらの冶金的変化は、コークスの機械的特性、反応性、および熱的挙動に直接