JP2005194537A - コークスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コークス炉において、石炭と共に廃プラスチック材または廃物固形化燃料を装入し、乾留してコークスを製造するに際し、廃プラスチック材または廃物固形化燃料によるコークス品質への影響、特にコークスの強度への影響を抑制することができる、コークス製造方法を提供する。
【解決手段】廃プラスチック材と石炭とを、両者の混合嵩密度が所定の値以上になるように混合し、このように混合した廃プラスチック材および石炭をコークス原料として使用することを特徴とする、コークス製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、石炭と共に廃プラスチック材を装入して乾留する、コークスの製造方法、特に、装入する廃プラスチック材によるコークス品質への影響を抑制することができるコークス製造方法に関する。

近年、産業廃棄物や一般廃棄物としてのプラスチック等の合成樹脂類が急増しており、その処理が大きな社会問題となっている。プラスチックは成形加工が極めて容易であり、その上、化学的に安定であるという特性を有するので、大量に使用され、そして、大量に廃棄されている。しかし、廃棄されたプラスチックを投棄処分しても、細菌やバクテリアによって分解されることなく、そのままの状態で残る。大量に廃棄されるので、廃棄場所を直ぐに満たしてしまう。

他方、焼却処分をすると、腐蝕性のガスが発生したり、焼却によって発生する熱量が高いという問題がある。なかでも高分子系の炭化水素化合物であるプラスチックは燃焼時に発生する熱量が高く、焼却処理した場合に焼却炉を傷めるので、大量処理が困難であり、その多くがごみ埋め立て地等に投棄されているのが現状である。しかし、プラスチック等の投棄は環境対策上好ましくなく、その大量処理方法の開発が切望されている。

このような背景の下、廃プラスチック材を石炭と共にコークス炉に装入して、廃プラスチックを処理する方法が提案されている。即ち、特開平８−１５７８３４号公報には、コークス炉に石炭と共に廃プラスチックを添加する２つの方法が開示されている。即ち、その１つの方法は、廃プラスチックをコークス炉配合炭中に配合する方法である。他の１つの方法は、コークス炉に石炭を装入後、炉頂空間部に廃プラスチックを装入する方法である。

図７は、特開平８−１５７８３４号公報に開示された、廃プラスチックをコークス製造用装入炭に配合したときのコークス強度と廃プラスチック配合率の関係を示す図である。図７に示されているように、廃プラスチックをコークス炉配合炭中に配合する方法によると、廃プラスチックを１．０ｗｔ％まで配合してもコークス強度は低下しないが、１．０ｗｔ％を超えて配合すると、コークス強度が所定値以下に低下することが指摘されている。

この理由は、廃プラスチックとコークス炉配合炭とを混合すると、低嵩密度である廃プラスチックが介在するので、石炭粒子間の距離が大きくなって、空隙率が大きくなり、その結果、コークス強度が低下するからである。更に、廃プラスチックの配合された箇所のガス発生量は局部的に非常に多くなり、その箇所に形成されるコークスの気孔（揮発分が揮散した際にできる空洞）が大きくなって、コークス強度の低下がもたらされる。単に、廃プラスチック材と石炭とを混合して装入すると、廃プラスチック材の占める体積（即ち、ガス発生サイト）が多くなり、コークス強度の低下傾向が強くなる。

一方、コークス炉に石炭を装入後、炉頂空間部に廃プラスチックを装入する方法によると、即ち、廃プラスチックを炭化室内の炉頂空間部に装入する方法においては、廃プラスチックだけを後から別に装入するので、次の問題が生じる。即ち、廃プラスチックが高温で熱分解する場合、まず、廃プラスチックが分子量の大きい炭化水素に分解し、これが揮散する。この揮散した分子量大きい炭化水素が、高温条件下に置かれている間に、さらに、熱分解してメタンなどの常温で気体の炭化水素や水素になる過程を辿る。

しかし、廃プラスチックを炭化室の炉頂空間部に装入すると、熱分解によって生成した高分子量の炭化水素は、揮散した後、直ちに吸引されて炭化室の上部空間からガス精製系の流路へ抜き出される。そして、揮散した高分子量の炭化水素は低分子量化されないまま、ガスの流路へ排出し、ガス温度の低下に伴って、その一部がガス流路の壁面に付着する。

更に、コークス炉ガス精製設備においてもタール等の副産物の品質等にも影響を与えてしまう。また、炉頂空間部への装入は、石炭装入装置とは別途の装入装置が必要となるために、設備コストが上昇する。
特開平８−１５７８３４号公報

上述したように、廃プラスチック等の合成樹脂をなるべく多量にコークス炉で消費したいけれども、従来の技術では、廃プラスチックが１ｗｔ％を超えると、コークスの強度が低下するという問題点がある。従って、成品コークスの品質を維持しつつ１ｗｔ％を超える廃プラスチックを配合し、廃物利用、更に回収エネルギーの向上が期待されている。

従って、この発明の目的は、コークス炉において、石炭と共に廃プラスチック材または廃物固形化燃料を装入し、乾留してコークスを製造するに際し、廃プラスチック材または廃物固形化燃料によるコークス品質への影響、特にコークスの強度への影響を抑制することができる、コークス製造方法を提供することにある。

本発明者は、上述した従来技術の問題点を解決すべく、廃プラスチックの配合率の向上の可能性について詳細かつ鋭意研究を重ねた。その結果、コークス炉において廃プラスチック材を処理する場合におけるコークス強度は、温度一定、原料炭性状一定の下で、廃プラスチック材と石炭との混合嵩密度を一定以上に維持することによって、所定のコークス強度を確保することができることを見出した。

即ち、石炭と共にコークス炉に装入する廃プラスチック（合成樹脂）材と石炭とを混合した混合嵩密度を所定の値、例えば、７００ｋｇ／ｍ³以上にすると、コークスの品質特にコークス強度に対する廃プラスチックの影響を十分抑制することができ、所定の値以上の強度を有するコークスを製造することができることを知見した。

更に、廃プラスチックの代わりに、紙、木等のごみを固形化した、廃物固形化燃料（以下、「廃物固形化燃料」という）を使用しても、廃物固形化燃料と石炭との混合嵩密度を所定の値以上にすると、コークスの品質特にコークス強度に対する廃プラスチックの影響を十分抑制することができ、所定の値以上の強度を有するコークスを製造することができることを知見した。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、この発明のコークス製造方法の第１の態様は、廃プラスチック材と石炭とを、両者の混合嵩密度が所定の値以上になるように混合し、このように混合した廃プラスチック材および石炭をコークス原料として使用することを特徴とする、コークス製造方法である。

この発明のコークス製造方法の第２の態様は、前記廃プラスチック材および前記石炭を混合した混合嵩密度が７００ｋｇ／ｍ³以上であることを特徴とする、コークス製造方法である。

この発明のコークス製造方法の第３の態様は、前記廃プラスチック材が予め所定の形状に処理された圧縮成形物からなっていることを特徴とする、コークス製造方法である。

この発明のコークス製造方法の第４の態様は、廃物固形化燃料と石炭とを、両者の混合嵩密度が所定の値以上になるように混合し、このように混合した廃物固形化燃料および石炭をコークス原料として使用することを特徴とする、コークス製造方法である。

この発明のコークス製造方法の第５の態様は、前記廃物固形化燃料および前記石炭を混合した混合嵩密度が７００ｋｇ／ｍ³以上であることを特徴とする、コークス製造方法である。

この発明のコークス製造方法の第６の態様は、前記廃物固形化燃料が予め所定の形状に処理された圧縮成形物からなっていることを特徴とする、コークス製造方法である。

この発明によると、コークス炉において、石炭と共に廃プラスチックを装入し、乾留してコークスを製造するに際し、廃プラスチック材と石炭とを混合した混合嵩密度を所定の値以上にすることによって、廃プラスチック材の配合率１％を超えても、廃プラスチックによるコークス品質への影響特にコークスの強度への影響を抑制することができる、コークス製造方法を提供することができ、産業上利用価値が高い。

更に、コークス炉において、石炭と共に廃物固形化燃料を装入し、乾留してコークスを製造するに際し、廃物固形化燃料と石炭とを混合した混合嵩密度を所定の値以上にすることによって、廃物固形化燃料によるコークス品質への影響特にコークスの強度への影響を抑制することができる、コークス製造方法を提供することができ、産業上利用価値が高い。

本発明の廃プラスチック材または廃物固形化燃料を装入するコークスの製造方法の態様を、図面を参照しながら詳細に説明する。

この発明のコークス製造方法は、廃プラスチック材と石炭とを、両者の混合嵩密度が所定の値以上になるように混合し、このように混合した廃プラスチック材および石炭をコークス原料として使用する。この発明のコークス製造方法は、廃プラスチック材の代わりに廃物固形化燃料を用いてもよい。

上述したように、一般に廃プラスチック材は嵩密度が小さいので、そのまま原料石炭と混合して装入すると、乾留時の石炭粒子間の距離が大きくなり且つ乾留時に廃プラスチック材がガス化することによってコークス気孔率が増大して、コークス強度が劣化する。しかし、廃廃プラスチックを圧密化し、混合装入することにより、石炭粒子間の距離が大きくならず、且つ、ガス発生サイトも少なくなるので、コークス強度の劣化を防止することができることを見出した。

必要とされる最小限の混合嵩密度は、後工程の高炉、キューポラ炉等の竪型炉において充填層に使用される場合の最低強度を満たせば良い。この要求される最低必要コークス強度は、各製鉄所等のローカルコンディションによって決まっており、一般には、原料炭性状、操業温度等によりコントロールされている。

従って、本発明では、後工程で必要とされるコークス強度を満足すべく、混合嵩密度を一定以上とすれば良い。そのためには、廃プラスチック材を圧密化後に石炭を混合すれば良い。通常の高炉用のコークス炉では、嵩密度は特に７００ｋｇ／ｍ³以上あればよく、より好ましくは、７５０ｋｇ／ｍ³以上が望ましい。

なお、廃プラスチックは、添加量が多くなると、ガス発生箇所が多くなり、嵩密度が大きくなっても、ガス発生が多く、コークス強度が低下する。従って、廃プラスチックの添加量は、所定割合（例えば、５％）以下にすると良い。尚、廃プラスチック材および石炭の装入（混合）嵩密度（ρ）は、次のように求められる。即ち、装入量（ｗ）、装入レベル（Ｈ）、炉幅（ｄ）、炉長（Ｌ）とすると、ρ＝ｗ／ｄ・Ｌ・Ｈで求められる。

先ず、廃プラスチック材を使用する場合について説明する。

廃プラスチック材のコークス品質に及ぼす影響を明らかにするために、廃プラスチック材を処理して、圧縮成形物としたものを使用して、各種廃プラスチック材のコークス品質に及ぼす影響を調査した。圧縮成形物には、例えばブリケット、減容固化物、圧縮リングダイ等によって圧縮成形したものが含まれる。即ち、具体的に、減容固化物を破砕して得られた大きさの異なる廃プラスチック材Ａ、Ｂおよび廃プラスチック材Ｃを使用して、廃プラスチック材の嵩密度がコークス品質へ与える影響を調査した。圧縮成形廃プラスチック材の組成は、ポリエチレン１００％とした。

試験方法は次の通りであった。即ち、下記（１）から（４）からなる試験方法によって調査した。
（１）２５０ｋｇ試験炉を使用し、
（２）乾留条件を、乾留温度９００℃、配合炭水分８％、配合炭粒度（−３ｍｍ）７８％とし、
（３）配合条件を、ベースは配合炭、廃プラスチック材はベース配合炭に対して、外数で所定の量（配合炭に対して、１から５％）をそれぞれ添加した。
（４）廃プラスチック材の形状を、廃プラスチック材Ａ（概ね５０×１００ｍｍ）、廃プラスチック材Ｂ（概ねφ３０ｍｍ）、廃プラスチック材Ｃ（概ねφ１０ｍｍ）とした。即ち、廃プラスチック材Ａは、リングダイを使用して成形したもの、廃プラスチック材Ｂは、廃プラスチック材Ａを粉砕したもの、廃プラスチック材Ｃは、フィルムを粉砕したものである。配合炭は、以下の通りとした。豪Ａ：２０％、豪Ｃ：２０％、豪Ｄ：５％、カナダＥ：１５％、豪Ｅ： ２０％、豪Ｆ：１５％、および、その他：５％である。

図１は、（この発明における混合嵩密度を有する廃プラスチック材と原料炭との）配合比（％）とコークス強度（Ｄ１３０／１５）との間の関係を示すグラフである。廃プラスチック材Ａを●、廃プラスチック材Ｂを▲、廃プラスチック材Ｃを○でそれぞれ示す。図１に示すように、混合嵩密度７００ｋｇ／ｍ³の廃プラスチック材Ａの場合は、配合比５％まで、コークス強度（Ｄ１３０／１５）は、概ね９２で一定である。廃プラスチック材Ｂの場合は、コークス強度（Ｄ１３０／１５）は、９２から緩やかに低下し、配合比５％で、コークス強度（Ｄ１３０／１５）は、概ね９０である。廃プラスチック材Ｃの場合は、配合比３％でコークス強度（Ｄ１３０／１５）は、配合比３％で８９、配合比５％で８６である。

図２は、コークス強度（Ｄ１３０／１５）と装入（混合）嵩密度との関係を示すグラフである。図２に示すように、廃プラスチック材Ａの場合は、嵩密度７００ｋｇ／ｍ³以上で、コークス強度（Ｄ１３０／１５）は、概ね９２で一定である。廃プラスチック材Ｂの場合は、嵩密度７００ｋｇ／ｍ³未満では、コークス強度（Ｄ１３０／１５）は、９０を下回っているが、嵩密度７００ｋｇ／ｍ³以上では、コークス強度（Ｄ１３０／１５）は、９０から９２まで高くなっている。廃プラスチック材Ｃの場合においても、嵩密度７００ｋｇ／ｍ³未満では、コークス強度（Ｄ１３０／１５）は、９０を下回っているが、嵩密度７００ｋｇ／ｍ³以上では、コークス強度（Ｄ１３０／１５）は、９２と高くなっている。

図２から明らかなように、装入（混合）嵩密度が７００ｋｇ／ｍ³以上の場合には、コークス強度（Ｄ１３０／１５）は、９０を上回っている。

図３は、コークス強度（ＣＳＲ＋９．５２）と装入（混合）嵩密度との関係を示すグラフである。図３に示すように、廃プラスチック材Ａの場合は、嵩密度７００ｋｇ／ｍ³以上で、コークス強度（ＣＳＲ＋９．５２）は、５０を上回っている。廃プラスチック材Ｂの場合は、嵩密度７００ｋｇ／ｍ³未満では、コークス強度（ＣＳＲ＋９．５２）は、５０を下回っているが、嵩密度７００ｋｇ／ｍ³以上では、コークス強度（ＣＳＲ＋９．５２）は、５０を上回っている。廃プラスチック材Ｃの場合においても、嵩密度７００ｋｇ／ｍ³未満では、コークス強度（ＣＳＲ＋９．５２）は、５０を下回っているが、嵩密度７００ｋｇ／ｍ³以上では、コークス強度（ＣＳＲ＋９．５２）は、５０を上回っている。

図３から明らかなように、装入（混合）嵩密度が７００ｋｇ／ｍ³以上の場合には、コークス強度（ＣＳＲ＋９．５２）は、５０を上回っている。

上述したように、配合炭と廃プラスチック材との混合嵩密度が７００ｋｇ／ｍ³未満になると、コークス品質への影響（コークス強度の低下）が顕著に表れている。

なお、廃プラスチックの代わりに、紙、木等のごみを固形化したごみ固形化燃料（廃物固形化燃料）を使用する場合について説明する。

廃物固形化燃料の組成は、工業分析において、Ａｓｈ：１５．１ｗｔ％、Ｖ．Ｍ．：７４．３、Ｆ．Ｃ．：１０．６ｗｔ％であり、元素分析において、カーボン（Ｃ）：４４．０ｗｔ％、水素（Ｈ）：５．７ｗｔ％、窒素（Ｎ）：０．５ｗｔ％、塩素（Ｃｌ）：１．２ｗｔ％であり、灰分組成において、Ｎａ₂Ｏ：１２．７ｗｔ％、Ｋ₂Ｏ： ３．６ｗｔ％、ＣａＯ：２９．３ｗｔ％、ＭｇＯ：４．１ｗｔ％、ＳｉＯ₂：０．３ｗｔ％、Ａｌ₂Ｏ₃：２１．４ｗｔ％、Ｆｅ₂Ｏ₃：３．８ｗｔ％であった。上述した廃プラスチック材と同様に、廃物固形化燃料を配合炭に混合し、コークス炉で処理する場合について、廃物固形化燃料の配合比および形状がコークス品質、および、歩留まりに及ぼす影響を、次の試験方法によって調査した。

即ち、下記（１）から（４）からなる試験方法によって調査した。
（１）２５０ｋｇ試験炉を使用し、
（２）乾留条件を、乾留温度９００℃、配合炭水分８％、配合炭粒度（−３ｍｍ）７８％とし、
（３）配合条件を、ベースは配合炭、廃物固形化燃料はベース配合炭に対して、外数で所定の量（配合炭に対して、１％と３％）をそれぞれ添加した。ベースとして使用する配合炭は、廃プラスチック材と同様に、豪Ａ：２０％、豪Ｃ：２０％、豪Ｄ：５％、カナダＥ：１５％、豪Ｅ：２０％、豪Ｆ：１５％、および、その他：５％である。
（４）廃物固形化燃料の形状を、廃物固形化燃料が原形（φ１．５ｃｍ×３ｃｍ）であるものと、ごみ固形化燃料を粉砕処理したものとの２種類を準備し、それぞれを配合炭に添加した。なお、原形の廃物固形化燃料は、φ１．５ｃｍ×３ｃｍの概略円柱状であるのに対して、粉砕処理された廃物固形化燃料は、５〜１０ｍｍ程度の小片からなっている。

上述した試験によって、廃物固形化燃料の配合比および形状がコークス品質、および、歩留まりに及ぼす影響を調査した。その結果を、装入嵩密度、コークス外観、コークスの品質と歩留で以下に示す。

（ａ）装入嵩密度：図４は、装入（混合）嵩密度を示す図である。図４において、縦軸は装入嵩密度（ｋｇ／ｍ³）を示す。横軸には、ベース、廃物固形化燃料１％添加、廃物固形化燃料３％添加の場合の、それぞれの原形の場合、および、粉砕処理ありの場合を示す。

図４に示すように、
（１）ベースの場合、装入嵩密度は７１５ｋｇ／ｍ³であった。
（２）廃物固形化燃料１％添加の場合、廃物固形化燃料（原形）のときには、装入嵩密度は７３０ｋｇ／ｍ³であり、廃物固形化燃料（粉砕処理あり）のときには、装入嵩密度は６９５ｋｇ／ｍ³であった。
（３）廃物固形化燃料３％添加の場合、廃物固形化燃料（原形）のときには、装入嵩密度は７４０ｋｇ／ｍ³であり、廃物固形化燃料（粉砕処理あり）のときには、装入嵩密度は６９０ｋｇ／ｍ³であった。

図４において、廃物固形化燃料（原形）のときには、装入嵩密度は、ベースよりも廃物固形化燃料１％添加の方が大きく、更に、廃物固形化燃料１％添加よりも廃物固形化燃料３％添加の方が大きかった。一方、廃物固形化燃料（粉砕処理あり）のときには、ベースの装入嵩密度は７１５ｋｇ／ｍ³と原形と同一であったが、廃物固形化燃料１％添加場合には、６９５ｋｇ／ｍ³、廃物固形化燃料３％添加の場合は、６９０ｋｇ／ｍ³と、装入嵩密度は何れも７００ｋｇ／ｍ³を下回った。

（ｂ）コークスの品質と歩留：コークスの品質を図５および図６に示す。図５において、縦軸にはコークス強度（Ｄ１３０／１５）を示す。横軸には、ベース、廃物固形化燃料１％添加、廃物固形化燃料３％添加の場合について、原形の場合、および、粉砕処理ありの場合を合わせて示す。

図５に示すように、コークス強度（ＤＩ３０／１５）は、
（１）ベースの場合、９１．５であった。
（２）廃物固形化燃料１％添加の場合、廃物固形化燃料（原形）のとき、９１．５、廃物固形化燃料（粉砕処理あり）のとき、９０．８であった。
（３）廃物固形化燃料３％添加の場合、廃物固形化燃料（原形）のとき、９２．２、廃物固形化燃料（粉砕処理あり）のとき、８９．０であった。

更に、図６において、縦軸にはコークス強度（ＣＳＲ＋９．５２）を示す。横軸には、ベース、廃物固形化燃料１％添加、廃物固形化燃料３％添加の場合における原形の場合、および、粉砕処理ありの場合を合わせて示す。図６に示すように、コークス強度（ＣＳＲ＋９．５２）は、（１）ベースの場合、５６．０であり、（２）廃物固形化燃料１％添加の場合、廃物固形化燃料（原形）のとき、５６．０、廃物固形化燃料（粉砕処理あり）のとき、４８．０であり、（３）廃物固形化燃料３％添加の場合、廃物固形化燃料（原形）のとき、５３．０、廃物固形化燃料（粉砕処理あり）のとき、４７．０であった。

図５および図６から明らかなように、廃物固形化燃料（原形）の場合は、コークス強度（Ｄ１３０／１５）もＣＳＲ＋９．５２もほぼ無添加と同様の値を示した。一方、廃物固形化燃料（粉砕処理したもの）の場合は、添加量の増加に伴い、コークス強度（Ｄ１３０／１５）、（ＣＳＲ＋９．５２）は何れも低下した。

上述した試験からも明らかなように、石炭と共にコークス炉に装入する廃プラスチック材と石炭とを混合した混合嵩密度が所定の値、例えば、７００ｋｇ／ｍ³以上、好ましくは７５０ｋｇ／ｍ³以上になると、廃プラスチック材の配合率が１％を超えても（例えば５％でも）、コークスの品質特にコークス強度に対する廃プラスチックの影響を十分抑制することができる。更に、廃プラスチック材の代わりに廃物固形化燃料を使用した場合においても、石炭と共にコークス炉に装入する廃物固形化燃料と石炭とを混合した混合嵩密度が所定の値、例えば、７００ｋｇ／ｍ³以上、好ましくは７５０ｋｇ／ｍ³以上になると、コークスの品質特にコークス強度に対する廃物固形化燃料の影響を十分抑制することができる。

図１は、（この発明における混合嵩密度を有する廃プラスチック材と原料炭との）配合比（％）とコークス強度（Ｄ１３０／１５）との間の関係を示すグラフである。 図２は、コークス強度（Ｄ１３０／１５）と装入（混合）嵩密度との関係を示すグラフである。 図３は、コークス強度（ＣＳＲ＋９．５２）と装入（混合）嵩密度との関係を示すグラフである。 図４は、装入（混合）嵩密度を示す図である。 図５は、コークスの品質（コークス強度Ｄ１３０／１５）を示す図である。 図６は、コークスの品質（コークス強度Ｄ１３０／１５）を示す図である。 図７は、特開平８−１５７８３４号公報に開示された、廃プラスチックをコークス製造用装入炭に配合したときのコークス強度と廃プラスチック配合率の関係を示す図である。

Claims (6)

1. 廃プラスチック材と石炭とを、両者の混合嵩密度が所定の値以上になるように混合し、このように混合した廃プラスチック材および石炭をコークス原料として使用することを特徴とする、コークス製造方法。
2. 前記廃プラスチック材および前記石炭を混合した混合嵩密度が７００ｋｇ／ｍ³以上であることを特徴とする、請求項１に記載のコークス製造方法。
3. 前記廃プラスチック材が予め所定の形状に処理された圧縮成形物からなっていることを特徴とする、請求項１または２に記載のコークス製造方法。
4. 廃物固形化燃料と石炭とを、両者の混合嵩密度が所定の値以上になるように混合し、このように混合した廃物固形化燃料および石炭をコークス原料として使用することを特徴とする、コークス製造方法。
5. 前記廃物固形化燃料および前記石炭を混合した混合嵩密度が７００ｋｇ／ｍ³以上であることを特徴とする、請求項４に記載のコークス製造方法。
6. 前記廃物固形化燃料が予め所定の形状に処理された圧縮成形物からなっていることを特徴とする、請求項４または５に記載のコークス製造方法。

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