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1 H24年度 石炭基礎講座 No.10 製鉄技術 製鉄業における石炭利用 製鉄業における石炭利用 2013123新日鐵住金(株) 先端技術研究所 金橋康二 公開:2013年1月23日 H24年度石炭基礎講座 © 2012 NIPPON STEEL & SUMITOMO METAL CORPORATION All Rights Reserved.
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製鉄業における石炭利用 - JCOAL 一般財団法人 石 …1 H24年度石炭基礎講座No.10 製鉄技術 製鉄業における石炭利用 2013年1月23日...

Aug 18, 2020

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1

H24年度 石炭基礎講座 No.10 製鉄技術

製鉄業における石炭利用製鉄業における石炭利用

2013年1月23日月

新日鐵住金(株) 先端技術研究所

金橋康二

公開:2013年1月23日 H24年度石炭基礎講座

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目次

第1章 製鉄業(製銑プロセス)における石炭利用転換技術

第2章 高炉法

第3章 クス製造技術と微粉炭吹き込み技術第3章 コークス製造技術と微粉炭吹き込み技術

第4章 新コークス製造技術~SCOPE21プロセス第4章 新 クス製造技術 SCOPE21プ セス

第5章 製銑プロセスにおけるCO2削減技術

第6章 石炭有効利用に貢献する解析技術

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鉄を作るには鉄鉱石と石炭が必要!

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酸化鉄から鉄を作る(九州大学 清水正賢教授作成資料 他より)

木炭、石炭単体単体

各元素の酸化反応の標準生成自由エネルギーG0の温度依存性を示す図

木炭 石炭木炭、石炭充填層

製鉄法発見製鉄法発見

木炭 石炭 鉱石充填層

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木炭、石炭、鉱石充填層

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製鉄プロセスにおける石炭利用

Brown coalSub-bituminous coal

Bituminous coal

1.0

Brown coalFor thermal power generation

0 6

0.8

atio

For Coke

0.4

0.6

/C a

tom

ic ra

For PCI

石炭 コークス

0.2H

/

For sintering

石炭(直接吹き込み) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

O/C atomic ratio

0.0

Anthracite

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O/C atomic ratio

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鉄鋼業における石炭の用途・役割

分類 用途 鉄鋼での用途

無煙炭 半無煙炭、無煙炭

(鋳物用コークス、セメント、石灰等

高炉PCI吹込み、焼結工場での燃料

(粉コ-クス代替、NOx対策、冷鉄源溶解)用等) 無煙炭は少量

瀝青炭 原料炭--------製鉄用コ-クス、ガス化

製鉄用コ-クス製造、高炉PCI吹込み

亜瀝青炭

カ ス化

非微粘結炭--コークス、PCIボイラ(発電)

一般炭--------電力、ボイラ-用褐炭 利用できない 用途なし褐炭 利用 きな 用途な

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日本での鉄造りの始まり

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日本での近代製鉄の始まり

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我が国の石炭需要

用途によって使い分ける!

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鉄鋼業での石炭使用量の推移

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目次

第1章 製鉄業(製銑プロセス)における石炭利用転換技術

第2章 高炉法

第3章 クス製造技術と微粉炭吹き込み技術第3章 コークス製造技術と微粉炭吹き込み技術

第4章 新コークス製造技術~SCOPE21プロセス第4章 新 クス製造技術 SCOPE21プ セス

第5章 製銑プロセスにおけるCO2削減技術

第6章 石炭有効利用に貢献する解析技術

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世界の三大鉄鋼製錬プロセス

高炉法高炉法 (65%)

(九州大学 清水正賢教授作成資料 他より)

高炉

高炉法高炉法 (65%)

鉄鉱石

焼結鉱

焼結機

~4.2%C

還元

石炭

石灰石

コークス

銑鉄

コ クス炉

電気炉法電気炉法 (35%)

スクラップ(90%)

コークス炉

2400℃1800K<

~0.1%C酸化

転炉

スクラップ(90%)

還元鉄(10%) 粗鋼

1600℃<1900K

直接還元法直接還元法 (7%)

鉄鉱石(ペレ ト)

シャフト炉

鉄鉱石(ペレット)

天然ガス CO,H2還元鉄

ガスリフォーマー900℃

~1.0%C<1300K

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900℃<1300K

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高炉法(Nippon Steel Monthly 2004.1-2より)

高炉の役割: 鉱石の還元、溶解およびスラグ・メタル分離炉上部より焼結鉱とコークスを層状に装入するとともに下部羽口より1200℃の熱風を

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炉 部より焼結鉱と ク を層状に装入するとともに下部羽 より の熱風を吹き込んでコークスを燃焼し、約2000℃のCOガスを生成させて鉄鉱石を還元、溶解、スラグ分離する装置。

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高炉の全景

新日鐵住金君津製鉄所新日鐵住金君津製鉄所

第3高炉

装入コンベア

ガス集塵装置 炉本体熱風炉

装入コンベア

トーピードカー

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ト ヒ ト カ

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高炉の大きさ(しんにってつ 20011.5より)

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高炉プロセス(Nippon Steel Monthly 2004.1・2より)

コ クス (350kg/t p)コークス (350kg/t-p)鉄鉱石(焼結鉱) (1600kg/t-p)

熱風(1200℃) (1000 Nm3/t-p)微粉炭 (150kg/t-p)

溶銑(pig iron) (1000kg)スラグ(1500℃)(300kg/t-p)

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高炉内での化学反応車1台分の鉄を作るのに、2台分の原燃料と、家一件分の容積のガスを要する。

石炭は車半台分必要で、ほぼ全量炉頂からガスとして排出されるて排出される

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(九州大学 清水正賢教授作成資料 より)

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高炉内部の直接観測(可視計30mm)

(Nippon Steel Monthly 2004.3より)

(可視計30mm)

A→Bと高炉内で下層になるほどA Bと高炉内で下層になるほど鉱石が次第に小さくなっている

Cの16m地点では装入物層を抜けて高温ガスが沸騰しているような状況高温ガスが沸騰しているような状況

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目次

第1章 製鉄業(製銑プロセス)における石炭利用転換技術

第2章 高炉法

第3章 クス製造技術と微粉炭吹き込み技術第3章 コークス製造技術と微粉炭吹き込み技術

第4章 新コークス製造技術~SCOPE21プロセス第4章 新 クス製造技術 SCOPE21プ セス

第5章 製銑プロセスにおけるCO2削減技術

第6章 石炭有効利用に貢献する解析技術

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コークスとは?(Nippon Steel Monthly 2004.1-2 他 より)

塊石炭

コークスコークス炉

コークス

粉石炭

コークスの役割: 高炉内での鉄鉱石の還元材、鉱石を溶解する熱源コークス化の目的: 原料の均質化と塊成化、高炉の通気性保持製造法: 粉砕した石炭を混合し、コークス炉内で1200℃で18~22時間乾留(蒸し焼きする性状: 高強度、粒度25-75mm、多孔質で反応性に優れている

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性状 高強度、粒度 、多孔質 反応性 優れ る

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コークスに適する石炭とは?(Nippon Steel Monthly 2008.7より)

古地温・被熱時間と揮発分の相関

優良原料炭生成条件

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コークス製造プロセス

消 塔

コークス

豪州

カナダ

ロシア

石炭

消火塔(熱回収)

石炭配合石炭調湿(水分調整)

CDQコークス炉粉砕機(粒度調整)

高炉粉炭(平均2mm) 塊コークス(平均50mm)

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高炉粉炭( 均 )

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乾留過程における粘結炭粒子の膨張

粘結性 流動性 膨 性 が重粘結性(流動性と膨張性)が重要!

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粘結性の評価方法

Dil t tGieselerplastometer

φ4mm Maximum f

Dilatometer

Total dilatation

粘結性:石炭を乾留した時、軟化溶融状態において

shaft

fluidity piston軟化溶融状態において観測される性質の総称

(流動性、膨張性、粘着性など)shaft

(constant torque)

300 550oC coal

性など)

coal

300-550oC3oC/min

coal60mm

300-550oC3oC/mincoal

P 321.4mm 8mm

流動性流動性

膨張性

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P 24

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コークス炉の概要<コ クス炉の大きさ>   

                石炭装入孔

燃焼室

   

                石炭装入孔

燃焼室

<コークス炉の大きさ>新日鐵住金 君津製鐵所の例炉高6.5m,炉幅0.45m,炉長15.7m石炭装入量 約30 /窯石炭装入量;約30t/窯

      

炭化室炭化室

  

蓄熱室蓄熱室

 

 

 

 

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乾留過程の直接観測

X線CT乾留炉による石炭乾留過程の観察結果

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X線CT乾留炉による石炭乾留過程の観察結果

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高炉用コークスに要求される品質

日本の高炉で還元材として使用されるコークス:約32百万 /

炉壁側炭化室中心側

約32百万t/y高炉に要求されるコークス品質: 高強度 大塊ス品質: 高強度、大塊

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コークス強度の評価方法(ドラム強度試験)

“Continuous shatter test”

Dimensions in mm

10kg コークス試料(+25mm) 150 回転衝撃付与⇒+15mm mass %=ドラム強度指数(DI150

15)

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原料炭の分類とコークス強度

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膨張性とコークス強度の関係(新日鐵技報第384号(2006),p.43より)

高強度

石炭粒子の膨張と気孔形成低強度

各種配合炭の全膨張率とDI1506の関係

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石炭事前処理設備とコークス消火設備(CDQ)

コークス消火設備(CDQ)

コークス

豪州

カナダ

ロシア 石炭事前

処理設備

(CDQ)

石炭配合処 設備(乾燥)

エネルギー指

CDQコークス炉粉砕機(粒度調整)

エネルギー指向によりCDQが普及

劣質だが安価な非微粘結炭増使用のため、石炭事前処理設備の開発実機化が進展

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石炭事前処理技術(CMCとDAPS)の概要Dry-cleaned and Agglomerated

(Nippon Steel Monthly 2008.7より)

Dry cleaned and Agglomerated Precompaction System:微粉塊成炭配合法

Coal Moisture Control:調湿炭装入法

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石炭乾燥による疑似粒子の崩壊

水分5%,擬似粒子 水分1.5%,単粒子が離脱して擬似粒子が崩壊

微粉塊成化により石炭乾燥に伴う疑似粒子崩壊による発塵防止

擬似粒子が崩壊

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CMCとDAPSによる効果

40

50

60率

 (%

)

石炭乾燥により装入密度 上

20

30

40

非微

粘結

炭比

+ 30%

装入密度向上⇒コークス強度向上コークス強度一定条件で

0

10

湿炭プロセス CMCプロセス DAPSプロセス

湿炭プロセス  DAPSプロセスCMCプロセス

非微粘結炭増使用

100

120

量 

(%)

ベース

石炭乾留熱量

80

100

石炭

乾留

熱量

85%(▲15%)

92% 石炭乾留熱量(エネルギー使用量)低減

60湿炭プロセス CMCプロセス DAPSプロセス湿炭プロセス CMCプロセス  DAPSプロセス

低減

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目次

第1章 製鉄業(製銑プロセス)における石炭利用転換技術

第2章 高炉法

第3章 クス製造技術と微粉炭吹き込み技術第3章 コークス製造技術と微粉炭吹き込み技術

第4章 新コークス製造技術~SCOPE21プロセス第4章 新 クス製造技術 SCOPE21プ セス

第5章 製銑プロセスにおけるCO2削減技術

第6章 石炭有効利用に貢献する解析技術

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日本のコークス炉の炉令(Nippon Steel Monthly 2008.10より)

わが国コークス炉は昭和40年代高度経済成長期に集中的建造され老朽化⇒既存老朽炉の延命技術、コークス炉リプレース(新コークス炉)

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SCOPE21プロセス概要Super Coke Oven for Productivity and Environment enhancement toward the 21st century

(Nippon Steel Monthly 2008.10より)

Super Coke Oven for Productivity and Environment enhancement toward the 21st century

高温炭装入による乾留時間短縮

装入嵩密度上昇によるコークス強度向上

石炭急速加熱処理

350-400℃

石炭急速加熱処理による石炭改質

低 燃焼構造低NOx燃焼構造

開発目標 ①非微粘結炭使用比率20%→50%、②生産性3倍、③NOx30%低減 ④ エネルギー20%

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③NOx30%低減、④ エネルギー20%

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SCOPE21の乾留パターンと品質向上効果(Nippon Steel Monthly 2008.10より)

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コークス強度とエネルギー消費量の比較(Nippon Steel Monthly 2008.10、 JCOAL 日本のクリーン・コール・テクノロジーより)

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SCOPE21プロセスの設備費(JCOAL 日本のクリーン・コール・テクノロジー 他より)

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大分第5コークス炉建設中のSCOPE21コークス炉 初窯出の様子 (2008 2稼働)

(Nippon Steel Monthly 2008.10より)

建設中のSCOPE21コークス炉 初窯出の様子 (2008.2稼働)

竣 後 概観竣工後の概観

P 44

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目次

第1章 製鉄業(製銑プロセス)における石炭利用転換技術

第2章 高炉法

第3章 クス製造技術と微粉炭吹き込み技術第3章 コークス製造技術と微粉炭吹き込み技術

第4章 新コークス製造技術~SCOPE21プロセス第4章 新 クス製造技術 SCOPE21プ セス

第5章 製銑プロセスにおけるCO2削減技術

第6章 石炭有効利用に貢献する解析技術

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エネルギーの視点から見た鉄鋼プロセス

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コークス炉による廃プラスチックリサイクル

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次世代コークス炉の誕生:SCOPE21

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COURSE50研究開発の概要CO Ultimate Reduction in Steelmaking process by Innovative technology for cool Earth 50

(日本鉄鋼連盟ホームページ COURSE50より)

CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking process by Innovative technology for cool Earth 50

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COURSE50の新技術

(1)鉄鉱石をCOではなく、水素で還元する

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O温暖化の原因となるCO2発生量の減少!Fe2O3 3H2 → 2Fe 3H2O 減少!

COGガス(水素リッチ)を再利用

(2)発生したCO2を分離・回収する

・アミン系吸収液による化学吸収・多孔体を用いた物理吸着多孔体を用いた物理吸着

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COURSE50研究開発スケジュール(日本鉄鋼連盟ホームページ COURSE50より)

目標: CO2の約3割削減に資する技術を2030年までに確立

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目標: CO2の約3割削減に資する技術を2030年までに確立

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高炉法が抱える課題国際的コスト競争力の激化

環境問題高炉法の課題高炉法の課題

国際的コスト競争力の激化

・多量鉄鋼生産国の急伸

・超大型鉄鋼メーカーの台頭 環境問題

CO 排出削減

省エネ化の促進高炉法の課題高炉法の課題

銑鉄製造エネルギー削減低還 材 達成

原燃料需給問題CO2排出削減

価格の高騰

(低還元材比の達成)

原燃料の 質化対応世界~260億トン

価格の高騰

量・質的逼迫

原燃料の 質化対応(劣質原料の有効利用) 世界鉄鋼20億トン

日本12億トン

日本鉄鋼 2億トン

還元剤比低減のた の方策

日本鉄鋼 2億トン

還元剤比低減のための方策(1)現状操業での改善 ⇒ 装入物分布制御、焼結鉱の還元性改善(2)熱保存体制御 (反応高速化) ⇒ 炭材内装型塊成鉱、高反応性コークス

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炭材内装型塊成鉱

新日鐵住金 : 含炭塊成鉱 (開発中)

炭材

鉄鉱石

セメント

ダスト

炭材(コークス等)と鉱石を近接させて(微粉化&塊成)、鉱石の還元効率を向上させる→ ・還元材比の低減

資源選択の多様化( 質資源有効活用)・資源選択の多様化( 質資源有効活用)

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目次

第1章 製鉄業(製銑プロセス)における石炭利用転換技術

第2章 高炉法

第3章 クス製造技術と微粉炭吹き込み技術第3章 コークス製造技術と微粉炭吹き込み技術

第4章 新コークス製造技術~SCOPE21プロセス第4章 新 クス製造技術 SCOPE21プ セス

第5章 製銑プロセスにおけるCO2削減技術

第6章 石炭有効利用に貢献する解析技術

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石炭の本質を知る(石炭の構造を明らかにする)炭素 水素 窒素・・・ アルミニウム ケイ素 ・・・炭素、水素、窒素 アルミニウム、ケイ素、・・・

石炭資源の多様化(劣質化)により、石炭の中味(構造)も多様化→ 石炭の構造を明らかにし、 質な( 価な)石炭を有効活用するた の提案を行う

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→ 石炭の構造を明らかにし、 質な( 価な)石炭を有効活用するための提案を行う

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石炭構造解析のニーズ

C b tiPlasticity

CombustionSemi-anthracite, PCI

Coking coal

Gas calories

Obstruction in Coking coal

carrier linePCI Reduced NOx

Anthracite, cokex

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石炭からコークスへの構造変化

200

石 炭コークスの炭素骨格構造は,軟化・溶融時の流動性の影響を強く受ける(軟化・溶融時の特性で炭素骨格構造決まる)。

200

炭化水素系①高強度のコークスを製造するには,流動性等の制御が重要

400

ure

(℃)

(軟化・溶融)(軟化・溶融)

ガスの発生

コールタール

動性等の制御が重要。

⇒ 流動性,膨張性等の測定 (JIS,ASTM)

600

Tem

pera

tu の発生 ②高強度コークス製造メカニズムを解明するには,軟化・溶融時の特性解析が必要。

800

セミコークス

水素ガスの発生

軟化溶融時の石炭の構造解析

1000コークス

発生 ・NMR

・IR(赤外分光分析)

・ガス分析(GC,MS)

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1000 ガス分析(GC,MS)

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石炭の燃えやすさを予測する

Aromatic C Aliphatic CBrown coal[C]=66.0 mass%

C=OCOO

R-O

[ ]

炭素の構造(「亀の甲」か「鎖 か)を知ることによ

Sub-bituminous coal[C]=67.9 mass%

「鎖」か)を知ることによって、石炭の機能(燃えやすさ等)との関係を明ら[ ]かにする

Semi-anthracite coal[C]=84.0 mass%

13C CP/MAS spectra (r=16 kHz)

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C CP/MAS spectra (r 16 kHz)

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石炭の高温での変化を捉える

石炭の構造変化を直接見る(in situ NMR法)

Good Coking Coal Slightly Coking Coal

+

g g y g

450℃ 450℃

高温NMRイメージングプローブ Single Point Imagingパルスシーケンス石炭軟化溶融現象の直接観測に成功

------ 3mm

検出のための高温プローブ開発(ハード開発)

測定法の開発(ソフト開発)

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急速加熱による石炭改質効果の実証

石炭構造中の非共石炭構造中の非共

有結合有結合急速加熱処理急速加熱処理

凝集構造緩和石炭構造中の非共石炭構造中の非共

有結合有結合急速加熱処理急速加熱処理

凝集構造緩和

OH

OH

OH

OH OH

OH

OH

OH

π-π結合

水素結合OH

OH

OH

OH OH

OH

OH

OHOH

OH

OH

OH OH

OH

OH

OH

π-π結合

水素結合

(a) 原炭 (b) 急速加熱炭(a) 原炭 (b) 急速加熱炭

石炭急速加熱処理により石炭急速加熱処理により、石炭中の粘結成分(mobile成分)量が増加することを可視化可視化

   5mm    5mm   5mm   5mm   5mm    5mm   5mm   5mm

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ガスカロリーを予測する

3000

3500

A+BCH4 C2H6 C2H4

CO CO2 H2

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

K9

カロリー量(Kcal/0.05g-coal)

CH4 C2H6 C2H4 CO H2VM

0 10 20 30 40

K9

揮発分 VM %

VM

Coal A Coal A

Volatile matter (%)Calorie (kcal/0.05g-coal)

1500

2000

2500

entrationppm

K9

サラジ

芦嶺

リュウリン

リンカンCC

PD

フンセイ

K9

サラジ

芦嶺

リュウリン

リンカンCC

PD

フンセイ

Coal ACoal BCoal CCoal DCoal ECoal FCoal G

Coal ACoal BCoal CCoal DCoal ECoal FCoal G

500

1000

1500

Conce フンセイ

フンセイB

エルクビュー

グニエラ

バラン

FordingPre

石炭

フンセイ

フンセイB

エルクビュー

グニエラ

バラン

FordingPre

石炭

Coal GCoal HCoal ICoal JCoal KCoal LC l M

Coal GCoal HCoal ICoal JCoal KCoal L

0200 400 600 800

Temperature / ℃

シンチ

バートン

NZOP

Glducester

サイネイ

NSBC

シンチ

バートン

NZOP

Glducester

サイネイ

NSBC

Coal MCoal NCoal OCoal PCoal QCoal R

Coal MCoal NCoal OCoal PCoal QCoal R

エンシュウ

大屯

Man

エンシュウNo.2

NZSS

エンシュウ

大屯

Man

エンシュウNo.2

NZSS

Coal SCoal TCoal UCoal VCoal W

Coal SCoal TCoal UCoal VCoal W

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石炭灰の詰まりやすさを評価する

0

スメクタイト

カオリン

雲母

smectitemica

k li 付着物 サウスウォ カ 炭Sticking

アルミナ

カオリンkaolin

alumina

付着物 サウスウォーカー炭付着物 SW炭

アルミナアルミナ

coal Coal Aaluminaalumina

50

スメクタイト,雲母

5配位型Al

(有機質酸素結合型)

aluminum bonded to organic species

smectite, mica

スメクタイト,雲母スメクタイト,雲母 smectite, micasmectite, mica

50 0シンジョウ炭

Alの化学構造(ピークの位置)とそCoal BCompared to peak position

カオリン,雲母

Alの化学構造(ピ クの位置)とそ

れらの存在比から、サウスウォーカー炭(SW炭)が原因炭であることを特定

and intensity, we found that coal A causes obstruction of coal residue in a carrier line.

kaolin, mica

雲母mica

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まとめ

第1章 製鉄業(製銑プロセス)における石炭利用転換技術

第2章 高炉法

第3章 クス製造技術と微粉炭吹き込み技術第3章 コークス製造技術と微粉炭吹き込み技術

第4章 新コークス製造技術~SCOPE21プロセス第4章 新 クス製造技術 SCOPE21プ セス

第5章 製銑プロセスにおけるCO2削減技術

第6章 石炭有効利用に貢献する解析技術

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