コークス工場（コークスプラント）は、石炭から乾留法を用いてコークスと製造ガスを合成する工場です。熱分解された石炭は、900～1,400℃（1,650～2,550℉）の温度に加熱することで揮発性成分が放出され、通常はこれらを分離・回収します。また、放出された成分を燃焼させるコークスプラントもあります。これは熱回収プロセスとして知られています。こうして得られたコークスの表面には灰の層が形成されます。[1]石炭からガスを排出することで、コークスは非常に高い評価を得ている多孔性を有します。このガスは分留凝縮によって炭化水素タール、硫酸、アンモニア、ナフタレン、ベンゾール、コークスガスに分解され、これらの生成物はその後、さらに化学反応炉で精製されます。ドイツでは、国内産業の需要を満たすため、2010年現在も5つのコークスプラントが稼働しています。[2]
コークスは主に高炉で鋳鉄を製造するために使用され、現在もこれが主な用途となっています。脱ガス処理により硫黄含有量が大幅に減少するため、鉄鋼業界では排出量を抑えながら高品質の鋳鉄を生産することが可能になります。この点を除けば、コークス灰は一般的な石炭とほぼ同じ組成です。[3]
歴史と原則
鉄冶金の初期には、木炭はもっぱら鉱石の生産に使用されていました。[4]生の化石石炭（亜炭と黒炭）や炭化されていない木材は、不純物を含むため良質の鋳鉄を生産するのに十分な温度に達することができないため、鉄冶金には適していません。現代のコークス工場とほぼ同じように稼働しているコークス炉から採取される木炭の需要は、大規模な伐採を招き、一帯の景観を永久に損ないました（例えば、イギリスのアッシュダウンの森）。コークス工場で天然の石炭を精製するというアイデアが考案されたのは18世紀になってからでした。この新しい燃料はすぐに木炭に完全に取って代わり、鋳鉄の大量生産を可能にし、ひいては鉄道の開通をもたらしました。[5] [6]
空気のない状態で石炭を加熱すると、天然石炭よりも純度が高く高品質な、特に炭素を豊富に含む燃料であるコークスが生成されます。このプロセスを制御することで、以下の特性を持つ特定の性能レベルを達成できます。[7]
コークスは高炉や鋳物工場で最もよく使用されます。高炉コークスの最も重要な特性の一つは、高温下でも硬度を維持することです。そのため、燃料として使用される際、鉄鉱石とフラックスのスタックの安定性を確保します。一方、通常の石炭は燃焼して混合物の酸素化を妨げます。[8]
説明
コークス炉
コークス炉はコークス製造工場の中核を成す設備です。最も一般的に使用されている横型炉は、様々な抽出段階の監視に適しているため、幅約 50 cm（20 インチ）の狭い区画で構成されていますが、高さと奥行きは数メートルあります。最新の区画の容積は最大 100 m 3（3,500 ft 3）（例：0.5 m × 6 m × 32 m（1.6 ft × 19.7 ft × 105.0 ft））です。通常、これらの炉はバッテリー状に配置され、1,200 ～ 1,400 °C（2,190 ～ 2,550 °F）で燃焼するガスのインジェクターで区切られており、これにより炉内温度が維持されます。これらのガスは排煙装置から排出され、排煙装置によって熱回収も行われます。高炉ガスは下層階の暖房にも利用され、石炭焙焼炉からのガスと混合されます。等方的な石炭焙焼を確保するため、30分ごとに炉体側面と上面が交互に加熱されます。[9]
コークス炉の加熱システムは、試運転開始後約3ヶ月の初期段階を経て、連続的に稼働します。加熱が急激すぎたり、急激に停止したりすると、熱応力が発生し、炉に修復不可能な損傷を引き起こします。[9]
高炉と同様に、炉の内部はシャモットまたはケイ酸塩の耐火層で覆われています。各炉には3つの開口部があります。炉本体とほぼ同じ幅の前後の扉と、上部の充填・排出ハッチです。油圧式のレーキによって、炉内の石炭層が水平方向に調整されます。[10] [11]
屋根
屋根は炉群の閉鎖板であるだけでなく、石炭バケツを載せた天井クレーンが各炉に石炭を積み込む場所でもあります。この作業を担当する作業員にとって、リスクへの露出は最大限に高まります。粉塵、熱、炎によって作業は極めて危険です。[11]
石炭箱
炉の種類に応じて、石炭貯蔵庫は炉体の上部または端に設置されます。各貯蔵庫には、炉1基分を満たすのに必要な量の石炭が収容されています。これらの貯蔵庫には、製造するコークスの品質に合わせて特別に選別された石炭が、あらかじめふるいにかけられたり粉砕されたりして混合されています。[11]
バースクリーン
バースクリーンは、炉群の片側に沿って設置されたレール上の移動式台車です。炉からコークスブリケットを取り出し、処理場へ搬送するために設計されています。バースクリーンには、多くの場合2つの関節からなる関節式アームが装備されており、炉群の全長にわたって掃引することができます。油圧ユニットはこの関節式アームの基部に設置されています。炉群の前のレールに沿った通路はマスター通路と呼ばれ、扉を閉める作業員と職長が同時に通行できるようにする必要があります。[11]
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Schwelgern コークス スクリーン、Forges de Gelsenkirchen-Schalke。
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プロスパーコークス工場の移動式ナセル。
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コークスクリーンの前に...
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...そしてオーブンに入れた後。
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ゲルゼンキルヒェン・シャルケ鍛冶場にある焼き菓子店シュヴェルゲルンの創設者。
操作の順序
- 石炭は炉に投入され、混合され、粉砕され、圧縮されます。
- 天井クレーンが炉の上部にある投入口を開きます。
- 単一の炉への石炭の排出。
- 炉の種類や石炭の品質に応じて、石炭のスパイクが発生します。
- 炉を気密に閉じること。
- 加熱;
- 続いてガス抜きを行い、十分な多孔性が得られるまで待ちます。
- 炉端扉の開閉。
- コークス回収;
- 同時に消火し、次のサイクルに向けて炉に燃料を投入する。[5]
窯が満杯になると、窯フィーダーは石炭ホッパーに戻り、次の窯に石炭を投入します。サイクルは2分ごとに新しい窯が始動できるように調整されています。窯の壁は継続的に加熱されます。コークス煉瓦の特性と窯の大きさに応じて、焼成には15時間から30時間かかります。[5]
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シュヴェルガーン コークス工場、ゲルゼンキルヒェン シャルケ フォージの充填機。
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シュヴェルガーンコークス工場のクーラー
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プロスパーコークス工場のクーラーフード
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ワゴン（またはコーラ車）に荷物を積む
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冷却器への流れ
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上部給餌用のEnfourneuse。
消火コークス
コークスは周囲の空気に触れると非常に高い温度になり、すぐに燃え始めるため、特に急速に冷却する必要がある。[12]
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クーラーに向かう途中の輝くコーラ。
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コークスの湿式消火。
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消火したコークスは品質管理のためホッパー内にしばらく保管されます。
コークスを冷却する方法は 2 つあります。
湿式冷却
- このプロセスでは、コークス1トンあたり約2m 3 (71ft 3 )の水が必要です。
- 熱が失われます。
- 水の約3分の1が蒸気として消散します。
- 硫酸、粉塵、水性ガスで汚染されたこの蒸気の浄化は依然として問題となっている。
1986年には、コークス1トンあたり0.2～2kg（0.44～4.41ポンド）の固体不純物が冷却中に検出されました。最新のコークス安定化消火プロセスにより、この量は10～15g/t（0.36～0.54オンス/ロングトン）にまで低減されました。[12]
乾式冷却
これは通常、不活性ガスとして選択された液体窒素を使用して実行されます。
- この技術はエネルギーを節約します。
- 自然環境からの水の借用を避けます。
- ほこりの放出が少なくなります。
- 最終的な水分含有量が低いほど、高品質のコークスが得られます。
- 一方、このプロセスは投資と維持管理の面でコストがかかるという点が、一部の専門家や請負業者から異論を唱えられています。特に、年間の操業コストを削減するエネルギー回収において、この傾向は顕著です。世界第2位の鉄鋼生産国である中国において、新日本製鐵は乾式冷却への投資により20%から33%のコスト削減が見込まれると見積もっています。[12] [13]
気相
19世紀半ばになると、産業界は化学産業における排ガスの価値に気づき始めました。ガスを洗浄し成分を分離するために用いられる蒸留器は、多くの場合、炉の基部に取り付けられ、水密パイプで接続されていました。ガスはファンによって排出されますが、外気が炉内に侵入して爆発する危険を避けるため、ファンは2～5 ミリバール（200～500 Pa）の加圧を維持する必要がありました。ファンが詰まると、定期的にフレアリングが発生します。[14]
石炭ガスはスクラバーで冷却・洗浄され、凝縮生成物は分離されて各プラントに送られます。[15]
副産物
21世紀のコークス工場
2002年から2004年にかけて、鉄鋼需要の高まりにより、中国で生産されるコークスの価格は80ドルから350ドル近くにまで急騰し、価格は4倍以上に上昇し、同時に上昇した鉄鋼価格の3倍に達した。[16]
同時に、中国はルール地方ドルトムントの近代的なカイザーシュトゥールコークス工場を解体し、中国に再建した。[17]ドイツ最後の乾式冷却工場は、ティッセンクルップグループがドルトムントとデュースブルクの鉄鋼工場を統合したため、その不足を補うことができなかった。[16]
ルール地方で稼働している最後の3つのコークス工場（ボトロップのアルセロール・ミッタル・プロスパー・コークス工場、デュースブルク＝シュヴェルゲルンのカルボナリア／ティッセンクルップ・コークス工場、デュースブルク＝ヒュッキンゲン火力発電所のコークス工場）は、2010年以降、生産能力の限界に達している。2005年6月3日、デュッセルドルフ地区当局は、HKM（ヒュッテンヴェルケ・クルップ・マンネスマン）のデュースブルク＝ヒュッキンゲン・コークス工場の拡張を公共の利益のために承認し、これは2006年1月13日に確認された。コークス工場は2014年3月29日に開設された。[18]
2005年12月、ザールラント州ディリンゲンにある中央コークス工場（Zentralkokerei Saar GmbH）の改修が承認されました。この改修には、全く新しい第3炉群の建設が含まれます。これにより、第1炉群の操業は停止され、再建されます。第2炉群は段階的に廃止されます。[19]
フランスでは、2000年11月時点で6つのコークス工場が稼働していた。セレマンジュ、ダンケルク、フォス＝シュル＝メールにあるユジノール鉄鋼グループ所有の3工場、ドロクールとカーリングにあるシャルボナージュ・ド・フランス所有の2工場、そして稼働停止中のポン＝タ＝ムッソン工場[20] [21]である。2020年5月、セレマンジュのコークス工場が閉鎖されたため、残るのはダンケルクとフォス＝シュル＝メールの2工場のみとなる。[22]
カーリングのコークス工場はポリクロロビフェニル汚染のため2009年10月に閉鎖され、2014年までに完全に解体されました。[23]
産業政策
コークス価格の持続的な上昇を踏まえ、業界支持者の一部はドイツ当局に対し、特定の炭鉱の再開は利益につながると主張している。例えば、ハム北部に完全に民間資金で炭鉱を開設するプロジェクトがあるが、投資額の規模から実現は不可能である。[24]懐疑論者は、現在の景気循環の中でこの分野への投資が、供給不足が発生した場合に国家財政に影響を及ぼす可能性があると懸念している。[25]
参照
参考文献
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参考文献
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