製銑プロセス - 石炭エネルギーセンター

平成23年度 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
製鉄業（製銑プ セ ）における石炭利用転換技術
製鉄業（製銑プロセス）における石炭利用転換技術
2012.2.10
於 世界貿易センタービル
世界貿易センタ ビ
新日本製鐵（株） 野村誠治
P1
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
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
プ
第２章 高炉法と焼結鉱
第３章 コークス製造技術
第４章 コークス炉長寿命化技術と
新コ クス製造技術～SCOPE２１プロセス
新コークス製造技術～SCOPE２１プロセス
第５章 製銑プロセスにおけるCO2削減技術
P2
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
第１章
製鉄業（製銑プロセス）における
石炭利用転換技術
P3
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（九州大学 清水正賢教授作成資料 他より）
世界の三大鉄鋼製錬プロセス
高炉法 (65%)
還元
焼結機
鉄鉱石
焼結鉱
高炉
石灰石
～4.2%C
銑鉄
石炭
コークス
コークス炉
転炉
1800K<
2400℃
電気炉法 (35%)
酸化
～0 1%C
～0.1%C
スクラップ（90％）
粗鋼
還元鉄(10%)
<1900K
1600℃
シャフト炉
直接還元法 (7%)
鉄鉱石（ペレット）
還元鉄
CO,H2
天然ガス
～1.0%C
ガスリフォ マ
ガスリフォーマー
900℃
<1300K
P4
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（九州大学 清水正賢教授作成資料 他より）
鉄の製造原理
木炭、石炭
木炭
石炭
単体
木炭、石炭
充填層
製鉄法発見
木炭、石炭、鉱石充填層
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P5
2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
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鉄造りの歴史
～石炭との出会い
石炭との出会い
P6
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
鉄の歴史～３０００年以上前にヒッタイトから始まった！
P7
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
日本での鉄造りの始まり
P8
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
日本での近代製鉄の始まり
P9
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
我が国の石炭需要
P 10
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
鉄鋼業での石炭使用量の推移
P 11
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
鉄鋼業での石炭の流れ
P 12
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
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第２章
高炉法と焼結鉱
P 13
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
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鉄ができるまで：近代製鉄プロセス
P 14
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2004.1-2より）
高炉法
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
炉上部より焼結鉱とコ
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
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、
2012.2.10 石炭基礎講座
P 15
No.12 製鉄技術
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スラグ分離する装置。
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新日鐵(株) 野村
高炉の全景
新日鉄君津製鉄所
第３高炉
ガス集塵装置
炉本体
熱風炉
装入
装入コンベア
ベ
ﾄ ﾋﾟ ﾄﾞｶ
ﾄｰﾋﾟｰﾄﾞｶｰ
P 16
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（しんにってつ 20011.5より）
高炉はどのくらいの大きさがあるのか？
10数m
P 17
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2004.1・2より）
高炉プロセス
P 18
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2004.1・2より）
炉床から見上げた高炉内部
P 19
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
高炉内の物流
コークス (350kg/t-p)
鉄鉱石（焼結鉱） (1600kg/t-p)
炉頂ガス（CO,CO2,H2,H2O,N2 ---）1500 Nm3/t-p
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。
固体
ガス
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
ガスー固体間で
熱交換・還元を行う
1/2Fe2O3+2/3CO =Fe+3/2CO2
向流移動層
((FeO)+C
)
= Fe+CO
•固体の移動（荷下がり）
•ガスの移動（通気）
•熱レベルの維持
熱レベルの維持
CO2+C = 2CO
C+ 1/2O2 =CO
熱風(1200℃) (1000 Nm3/t-p)
微粉炭 (150kg/t-p)
P 20
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溶銑(pig iron)
(1000kg)
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石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
スラグ（1500℃）(300kg/t-p)
新日鐵(株) 野村
（九州大学 清水正賢教授作成資料 より）
高炉内反応
3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2
Fe3O4+CO=3FeO+CO2
FeO+CO=Fe+CO2
FeO(s,l)+CO=Fe+CO2
CO2+C=2CO FeO+C=Fe+CO
C+O2=CO2(コークス燃焼)
CO2+C=2CO
P 21
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2004.3より）
ファイバースコープで観測した高炉内部の写真
（可視計30mm）
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
P 22
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（JCOAL 日本のクリーン・コール・テクノロジー 他 より）
高炉への微粉炭吹込み（PCI)技術
全還元
元材比(kg/t-p)
【PCI(Pulverized Coal Injection)導入の背景】 （高炉の主な還元材；コークス）
• 1960年代以降、羽口から重油を補助還元材として吹き込む技術が開発
• オイルショックにより重油価格高騰 →還元材をコークスのみに依存するオールコークス操
業に移行
• 重油に代わる安価な補助還元材として微粉炭吹込み技術を米国ARMCO社より導入（
1981年に新日鐵大分1高炉で開始）
600
全還元材比（コークス比＋重油比＋微粉炭比）
500
重油比
400
1960
微粉炭比
コークス比
1970
1990
1980
2000
年
日本で高炉用に使用されている石炭量（年間）
1億1000万トン（粗鋼量）×0 7（高炉シェア）×0 52（炭材比）＝4000万トン（炭材）
1億1000万トン（粗鋼量）×0.7（高炉シェア）×0.52（炭材比）＝
P 23
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2004.1-2 他 より）
焼結鉱
焼結機
焼結鉱の役割： 高炉に装入する均質に塊成化された鉄原料
焼結化の目的： 鉄原料の均質化と塊成化、高炉の通気性維持
製造法 約
製造法：
約5mm以下の粉鉄鉱石に4-5%のコークスと石灰石を混合し、焼結機で
以下の粉鉄鉱石に
の
ク と石灰石を混合し、焼結機で
1370-1470℃の温度で焼き固める（液相結合）
P 24
2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
© 2011 Nippon
Steel Corporation. All Rights Reserved.
性状：
粒度5-25mm、高強度でかつ多孔質で被還元性に優れている
© 2012
Nippon
Steel
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（Nippon Steel Monthly 2004.10より）
鉄鉱石の生い立ち
P 25
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2004.10より）
地球の鉄と鉄鉱石
地球の元素存在割合
鉄鉱石の可採埋蔵量
P 26
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鉄鉱石の縞状の地層
2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2008.5より）
鉄鉱石の分布
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© 2012
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P 27
2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2008.5より）
粗鉱Feと製品品質の例
P 28
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2008.5より）
鉄鉱石の海上貿易量推移
P 29
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2004.4、九州大学 清水正賢教授作成資料他 より）
焼結鉱製造プロセス
原料
空気
空気
冷却帯
焼結鉱
燃焼帯
原料
吸引
焼結鉱
吸引
擬似粒子群
Ⅰ 溶融・再配列
Ⅱ 気孔構造変化・析出
液相の生成と広がり・凝集
液相の生成と広がり
凝集
気孔の生成 合体 消滅
気孔の生成、合体，消滅
Ⅲ 固化・析出
各種酸化物相の析出
微粉部
核鉱石
焼結反応（液相接合）
P 30
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2008.6より）
選択造粒プロセス
選択造粒プロセスと造粒状況
従来の造粒法と選択造粒法の
造粒物の比較
P 31
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
第３章
コ クス製造技術
コークス製造技術
P 32
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2004.1-2 他 より）
コークス
塊石炭
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、
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
ク 炉内で
で
時間乾留（蒸し焼
きする
P 33
© 2011 Nippon
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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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Nippon
Steel
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2008.7より）
石炭の生成と優良原料炭ソース
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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P 34
2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
石炭がコークスになるまで
P 35
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
コークス製造プロセスの概略
ロシア
カナダ
豪州
石炭配合
消火塔
（熱回収）
コークス
石炭調湿
（水分調整）
粉砕機
（粒度調整）
粉炭（平均2mm）
コークス炉
塊
塊コークス（平均50
ク （ 均
ｍ）
）
P 36
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CDQ
高炉
2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
乾留過程における粘結炭粒子の膨張
P 37
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
石炭粘結性の評価方法
Gieseler
plastometer
φ4mm
Maximum
fluidity
shaft
h ft
(constant torque)
粘結性：
石炭を乾留した時、
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）
300-550oC
3oC/min
Dilatometer
Total
dilatation
piston
coal
60mm
300-550oC
3oC/min
coal
coal
21.4mm
8mm
P3
流動性
膨張性
P 38
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
コークス炉の概要１
P 39
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
コークス炉の概要２
<コークス炉の大きさ>
石炭装入孔
新日本製鐵（株）君津製鐵所の例
製
製
燃焼室
炉高6.5m，炉幅0.45m，炉長15.7m
石炭装入量；約30ｔ／窯
炭化室
蓄熱室
P 40
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
石炭乾留過程の直接観察
Ｘ線ＣＴ乾留炉による石炭乾留過程の観察結果
P 41
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
高炉用コークスに要求される品質
炭化室
中心側
炉壁側
日本の高炉で還元材と
し 使用される
して使用されるコークス：
ク
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
P 42
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
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（DI15015）
P 43
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
原料炭の分類とコークス強度
P 44
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（新日鐵技報第384号(2006),p.43より）
膨張性とコークス強度の関係
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
P 45
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
石炭事前処理設備とコークス消火設備（CDQ）
ロシア
カナダ
豪州
石炭配合
コークス
消火設備
(CDQ)
石炭事前
処理設備
処
設備
（乾燥）
粉砕機
（粒度調整）
コークス
コークス炉
CDQ
省エネルギー指向
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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P 46
2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2010.5より）
CDQ（コークス乾式消火設備）の概要１
CDQ： Coke Dry Quenching
P 47
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2010.5より）
CDQ（コークス乾式消火設備）の概要２
P 48
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2008.7より）
石炭事前処理技術（CMCとDAPS）の概要
Dry-cleaned and Agglomerated
Precompaction System： 微粉塊成炭配合法
Coall Moisture
C
M i t
C t l
Control
調湿炭装入法
P 49
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
石炭流動層乾燥分級機の概要
P 50
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
石炭乾燥による疑似粒子の崩壊
水 分 1.5％ ， 単 粒 子 が 離 脱 して
擬似粒子が崩壊
水分５％，擬似粒子
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
P 51
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2008.7 他 より）
CMCとDAPSによる効果
非微粘
粘結炭比率　(%)
60
石炭乾燥により
装入密度向上
⇒コークス強度向上
50
40
30
+ 30%
コークス強度一定条件で
非微粘結炭増使用
20
10
0
湿炭プロセス
湿炭プロセス
湿炭プロセス
CMCプロセス
CMCプロセス
CMCプロセス
DAPSプロセス
DAPSプロセス
DAPSプロセス
石炭乾留
留熱量　(%)
120
ベース
100
92%
85%
(▲15%)
80
60
湿炭プロセス
湿炭プロセス
CMCプロセス
CMCプロセス
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DAPSプロセス
DAPSプロセス
P 52
DAPSプロセス
石炭乾留熱量
（ ネルギー使用量）
ル
使用量）
低減
2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
第４章
コ クス炉長寿命化技術と
コークス炉長寿命化技術と
新コークス製造技術～SCOPE２１プロセス
P 53
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2008.10より）
日本のコークス炉の炉令
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）
⇒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）
P 54
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2009.6より）
老朽化によるコークス炉炉体損傷
P 55
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2009.6より）
炭化室内の熱間観察診断装置
P 56
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2009.6より）
診断装置の炭化室への挿入
P 57
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2009.6より）
補修装置全景と溶射補修状況
コークス炉炭化室診断・補修技術
DOC Doctor of Coke Oven
DOC：
P 58
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2008.10より）
SCOPE21開発スケジュール
SCOPE21: Super Coke Oven for Productivity and
Environmental enhancement toward the 21st century
原料炭炭種拡大、コークス炉生産性向上、エネルギー消費量低減、環境対応力向上
2012.2.10 石炭基礎講座
P 59
No.12 製鉄技術
を目指した新コークス製造プロセスの開発
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新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2008.10より）
SCOPE21プロセス概要
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
350-400℃
石炭急速加熱処理
による石炭改質
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、
2012.2.10 石炭基礎講座
P 60
No.12 製鉄技術
③NOｘ30%低減、④省エネルギー20%
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新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2008.10より）
SCOPE21の乾留パターン（急速加熱、生産性向上）
P 61
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
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（Nippon Steel Monthly 2008.10より）
SCOPE21の品質向上効果
P 62
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
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急速加熱処理による石炭改質効果
石炭構造中の非共
有結合
ラボ試験装置(90kg規模）
凝集構造緩和
急速加熱処理
OＨ 水素結合
π-π結合
OH
OＨ
(a) 原炭
5mm
急速加熱処理による石炭改質効果
（
（コークス強度向上効果）を確認
ク 強度向上効果）を確認
(b) 急速加熱炭
5mm
石炭急速加熱処理により、石炭中の
粘結成分(mobile成分)量が 加
P 63
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OＨ
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No.12 製鉄技術
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（Nippon Steel Monthly 2008.10、 JCOAL 日本のクリーン・コール・テクノロジーより）
パイロットプラントの設備仕様と外観
P 64
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
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（Nippon Steel Monthly 2008.10、 JCOAL 日本のクリーン・コール・テクノロジーより）
コークス強度とエネルギー消費量の比較
P 65
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
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（JCOAL 日本のクリーン・コール・テクノロジー 他より）
SCOPE21プロセスの設備費
P 66
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
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（Nippon Steel Monthly 2008.10より）
大分第5コークス炉のプロセスフローと主な設備仕様
P 67
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（Nippon Steel Monthly 2008.10より）
大分第5コークス炉
初窯出の様子 (2008.2稼働）
建設中のSCOPE21コークス炉
石炭事前処理設備
竣工後の概観
P 68
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
第５章 製銑プロセスにおけるCO2削減技術
P 69
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
エネルギーの視点から見た鉄鋼プロセス
P 70
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2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
日本鉄鋼業の省エネルギーの歴史
P 71
© 2012 Nippon Steel Corporation. All Rights Reserved..
2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
（JCOAL 日本のクリーン・コール・テクノロジーより）
CDQ(Coke Dry Quenching)による排熱回収
P 72
© 2012 Nippon Steel Corporation. All Rights Reserved..
2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
コークス炉による廃プラスチックリサイクル
P 73
© 2012 Nippon Steel Corporation. All Rights Reserved..
2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
新日鐵(株) 野村
次世代コークス炉の誕生：SCOPE21
P 74
© 2012 Nippon Steel Corporation. All Rights Reserved..
2012.2.10 石炭基礎講座
No.12 製鉄技術
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（日本鉄鋼連盟ホームページ COURSE50より）
COURSE50研究開発の概要
P 75
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No.12 製鉄技術
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（日本鉄鋼連盟ホームページ COURSE50より）
COURSE50研究開発スケジュール
目標： CO2の約3割削減に資する技術を2030年までに確立
P 76
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