1　CDQ産業の発展

　コークス湿式消火方法は、水を冷却媒介として赤熱コークス（約950～1050℃）を急速に冷却する方式である。この方法では、大量の顕熱、粉じん、フェノール類などが蒸気とともに大気中へ排出されるほか、大量の水を消費するという課題がある。

　これに対し、コークス乾式消火方法（CDQ）は、不活性の循環ガスとして窒素を用いて赤熱コークスを密閉状態で冷却する技術である。窒素ガスはコークスの顕熱を吸収した後、余熱ボイラーへ送られ、高温高圧蒸気を発生させる。この蒸気によりTG発電機を駆動し、発電を行う。冷却後の窒素ガスは、循環ファンによって加圧された後、再びチャンバーへ送られ、循環利用されることで、高温余熱の回収とコークス品質の改善を同時に実現している。そのため、CDQはコークス産業におけるコア技術であり、省エネ・環境保全・低炭素化を推進する上で不可欠なプロセスとなっている。

　国家統計局のデータによると、2025年における中国のコークス生産量は5.04億トンに達し、世界全体の70%以上を占めている。現在、中国の鉄鋼企業及び独立系コークス企業では、CDQの導入が一般化しており、一部の企業では完全乾式まで実現している。中国国内には約550基のCDQ設備が設置されている。

　CDQ技術は1940年代にスイスで発明された。1960年代には旧ソ連が同技術分野において画期的な進展を遂げ、プレチャンバーを備えた56t/h CDQを開発し、連続かつ安定したCDQ稼働を実現した。1970年代の世界的なエネルギー危機の中、日本は旧ソ連のCDQ技術を導入・応用し、設備の大型化や自動化、環境保全対策などの分野で大きな発展を遂げた。1980年代末から1990年代半ばにかけて、日本では100～200t/hの大型CDQ設備が多数建設され、省エネ・排出削減及び生産効率向上において顕著な成果を上げた。また、1980年代にはドイツにおいて水冷壁式CDQ設備が開発された。ガス循環システムの最適化や熱交換効率の向上などにより、運転コストの大幅な低減を実現したものの、CDQの水冷壁がコークスとの摩耗によって破損しやすいという問題があり、広範な普及には至らなかった。

　一方、中国でのCDQ技術の導入は比較的に遅れた。1985年、上海宝山鋼鉄総工場は日本製鉄の技術を導入し、一期工事として4×75 t/h CDQ設備を建設した。その後、1991年から2000年にかけて、浦東煤気工場、済南鋼鉄、首鋼などにおいても65～70 t/h CDQ設備が相次いで建設された。2000年、武漢鋼鉄が日本製鉄から中国初となる140t/h CDQを導入して以降、中国では技術導入を基礎としながら、習得・応用及び自主開発を進め、CDQ技術が急速に発展した。140～150 t/h CDQ設備は武漢鋼鉄、馬鞍山鋼鉄、済南鋼鉄、首鋼、宝山鋼鉄、鞍山鋼鉄などの大手鉄鋼企業に導入され、その設備能力が広く認められた。

　近年、大容量コークス炉が中国国内における新設及び生産能力置換の主流となる中、それに対応する超大型・グリーン・スマート型CDQ設備の開発が重要な課題となっている。2009年、日鉄エンジニアリングの技術提供の下で、北京首鋼工程技術有限公司（以下、BSIETと略称）と北京中日聯節能環保工程技術有限公司（以下、BE3と略称）がプロジェクト実行を担当し、首鋼京唐公司にて中国初の7.63ｍコークス炉向けの260t/h CDQを建設した。大型化に伴ったスローピングフリューの風耐力不足や排出コークス温度のばらつきなどの技術課題に対し、各種技術やノウハウを応用することで安定操業を実現した。これは、CDQ技術の発展において重要な意義を有している。首鋼京唐超大型CDQの成功例は、その後新設の6.25～6.78ｍスタンプチャージ炉及び7～7.63ｍトップチャージー炉に対応する170～280 t/h CDQ設備の開発・普及に向けた重要な技術的基盤となった。これにより、中国における大型・超大型CDQのコア技術及び関連設備は大きく進展した。過去20年間、中国のCDQ技術は国産化・大型化・自動化を基本方針として発展を続け、コークス産業の質の高い発展を支える重要な役割を果たしてきた。

2　CDQボイラー及び発電技術の発展

　1980年代、初期のCDQ余熱発電技術では、中温中圧技術が一般的に採用され、CDQボイラーの水循環には強制循環方式が用いられていた。これは第1世代CDQ余熱発電技術に位置付けられる。しかし、この方式ではCDQの運転エネルギー消費量が大きく、投資回収期間が長期化するという課題があった。発電効率全体の向上を図るため、日本製鉄は高温高圧自然循環ボイラー技術を開発した。これは第2世代のCDQ余熱発電技術であり、1986年に日本の八幡製鉄所に建設された175t/h CDQに初めて応用された。2005年には、BSIETが元請けとして受注した済南鋼鉄150t/h CDQプロジェクトにおいて、第2世代CDQ余熱発電技術が導入され、中国国内で初めて実用化に成功した。第2世代の高温高圧自然循環ボイラー及び発電技術は、発電量を従来方式と比較して全体で12～15％向上させ、中国における過去20年間CDQ建設の主流技術仕様となった。

　BE3はCDQ分野における有力企業の一つであり、日鉄エンジニアリングからCDQ技術の正式な技術移転及びライセンス供与を受けた唯一のエンジニアリング会社である。BE3は、CDQ技術の普及・応用を推進するとともに、設備建設を通じて継続的な技術開発に取り組んできた。

熱交換効率の更なる向上及び低炭素化の推進を目的として、2015年よりBSIET・BE3は関連研究機関や設備メーカーなどと連携し、共同で技術開発に取り込んできた。各規模のCDQにおける操業データを収集・整理するとともに、CDQ操業時の負荷変動特性を踏まえた熱力システムの基礎研究を深化させ、第3世代のCDQ余熱ボイラー発電技術の基盤を構築した。

1）第1世代　中温中圧強制循環ボイラー及び発電技術の特徴

　（1）代表プロジェクト：

　1981年　日本室蘭CDQ

　1985年　宝鋼一期CDQ

　2000年　首鋼No.1、No.2 CDQ

　2003年　武鋼No.1、No.2 CDQ

　（2）ボイラーの主な技術特徴：

　中温中圧＋強制循環

　裸管水冷壁＋耐火煉瓦炉壁/メンブレン水冷壁

　主蒸気仕様（例）：3.8MPa、450℃

2）第2世代　高温高圧自然循環ボイラー及び発電技術の特徴

（1）代表プロジェクト：

1982年　日本名古屋No.4 CDQ

2005年　済南鋼鉄150t/h CDQ

2009年　首鋼京唐No.1、No.2 260t/h CDQ

　（2）ボイラーの主な技術特徴：

高温高圧＋自然循環

メンブレン水冷壁

主蒸気仕様（例）：9.8MPa、540℃

3）第3世代　（超）高温超高圧＋一次再熱ボイラー及び発電技術の特徴

（1）代表プロジェクト：

2022年　広西盛隆210t/h CDQ

2023年　江蘇龍興泰3×180 t/h CDQ

2026年　山能永鋒2×170 t/h CDQ

　（2）ボイラーの主な技術特徴：

　（超）高温超高圧一次再熱＋自然循環

　メンブレン水冷壁

　再熱高速TG発電ユニット

　主蒸気仕様（例）：13.8 MPa、540/571 ℃

　再熱仕様（例）：3.0 MPa、540/571 ℃

3　第3世代CDQ余熱発電技術の革新と応用

　CDQの大型化が進展する一方で、第2世代CDQ余熱ボイラー及び発電技術については、操業パラメータの向上余地がほぼ限界に達しており、さらなる高効率化及び省エネ・低炭素化の要求に十分対応することが困難となっていた。大型CDQは、処理能力の増大に伴う大量の排ガス量及び高い主蒸気発生量という特徴を有するが、これらの特性と高効率・高仕様の再熱TGユニットとの適合性には課題が残されていた。そのため、新たな基礎技術理論の構築及び実機への応用が求められた。

　BSIET・BE3などの関連会社は、コークス炉及びCDQシステムにおける負荷変動、熱疲労、摩耗・腐食などの技術課題の解決を図った。その上で、2022年5月、広西盛隆210t/h CDQプロジェクトにおいて第3世代CDQ余熱発電技術を初めて応用した。本プロジェクトでは、高温超高圧一次再熱ボイラー及び発電システムを備えたCDQ設備を建設した。厳格なFATを実施した結果、広西盛隆210t/h CDQプロジェクトにおけるコークス1ton当たりの発電量は、第2世代より約14％向上した。その後、江蘇龍興泰3×180 t/h CDQ、山能永鋒2×170 t/h CDQなどのプロジェクトにおいて、CDQ超高温超高圧再熱発電技術が相次いで実用化され、発電量は第2世代より約18％向上した。これにより、第3世代CDQ余熱発電技術の応用事例はさらに拡大した。

　これらの代表的なプロジェクトは、第3世代CDQ余熱発電技術の信頼性を実証するとともに、大型CDQ設備に求められた集約化配置、高い発電率の実現、さらには鉄鋼・コークス産業における「省エネ・低炭素化」への要求にも対応する成果となった。

　「第14次五カ年計画」以来、鉄鋼・コークス産業の基礎的なエネルギー効率は着実に向上している。一方で、既存低効率設備、高炭素型エネルギー消費の構造、低炭素技術の産業化における課題は、さらなる炭素排出削減の余地を制約している。エネルギー消費量及び排出量原単位に関して厳格な目標が設定される中、省エネによる効率向上と抜本的な排出削減を両立させるため、「第15次五カ年計画」カーボンピークアウト実施案及び重点産業における省エネ・低炭素化施策に基づき、鉄鋼産業はエネルギー・炭素協調トランスフォーメーションの重要段階へ移行している。その中で、第3世代CDQ余熱発電技術は、産業全体のエネルギー・炭素の効率向上を実現するための有力な技術選択肢となっている。

3.1 技術原理とプロセス

従来のランキンサイクルに比べ、ボイラーで発生する主蒸気がTG高圧シリンダーにて仕事をしており、高圧シリンダーの排気として再熱の冷間ダクトよりボイラーに入り、再熱器で主蒸気と同じ温度まで加熱され、再熱蒸気出口ダクトよりTG中低圧シリンダーに入って仕事をするといった再熱フローは高仕様CDQ発電技術の進歩である。再熱によって、蒸気のエンタルピーが再度増加するため、排気の仕様が従来と変わらない前提で、TGが占めるエンタルピーの割合が高くなる。通常の中温中圧及び高温高圧仕様に比べ、ボイラー蒸気の品質がさらに高く、排気量が小さくなり、TGのコールドソースのロスが減少し、効率が向上する[1,2]。

高仕様再熱CDQボイラー発電の蒸気と水のフロー：

純水タンク→脱気器給水ポンプ→給水予熱器→脱気器→ボイラー給水ポンプ→ボイラーエコノマイザー→汽水胴→蒸発器→ボイラースーパーヒーター→TG高圧シリンダー→ボイラー再熱器→TG中低圧シリンダー→復水器→凝結水→純水タンク

3.2重要技術指標

第2世代の高温高圧CDQ発電技術との比較から見て、第3世代高仕様再熱技術の核心的機能は飛躍的なレベルアップを達成し、より高い蒸気仕様と再熱サイクルプロセスによって熱から電力への転換効率が大幅に向上し、発電の蒸気消費量の削減がめざましい。コークス発電量原単位、省エネ・消費削減効果、炭素排出削減といった3つの重要指標において14%～18%の改良を達成することで、CDQの低炭素化、効率向上のための革新的な先進技術となる[3]。

3.3 技術特徴

CDQ余熱発電分野において長年にわたり存在してきた「熱エネルギーの利用が不十分、システム運転安定性が悪い、エネルギー変換効率が低い」といった共通の難題に対し、学際的な協同研究開発を通じて、「第3世代CDQ余熱ボイラー及び発電技術」の開発に成功した。「高仕様、再熱サイクル、スマート統合」を中核的方針とし、熱力サイクルからシステム統合、運転制御に至る全チェーンにおける技術革新を実現した。高仕様再熱サイクルと安全保護連動体制を構築し、加えてAll-dryに適合する安全保護インターロック及び自動制御システムの搭載によって、長寿命・高効率なCDQ余熱ボイラーとなり、結果として高効率な再熱・高回転復水TGを実現することで、最大限のエネルギー効率向上を果たすことができた。また第3世代CDQ余熱ボイラー及び発電技術は、直近実績も増え信頼性と互換性も向上しつつある。現在、環境規制の強化が継続している中、企業の予備CDQの建設需要が顕著に高まっている。本技術を採用して予備CDQを併設する場合、既存の老朽CDQとの適合も同時に図り、統合的なアップグレード・改造を遂行することが可能である。

（1）ボイラー伝熱面材質の改良

CDQ排ガスがボイラーチューブに及ぼす硫化腐食及び摩耗の影響に対して重点的に研究をし、第3世代CDQ余熱ボイラー及び発電システムの受熱面の材質を最適化した。スーパーヒーター及び再熱器にはTP347H、TP321H耐熱合金材を採用し、設備のチューブ類の運転安全率を向上させた[4,5]。

（2）熱力系における安全保護連動体制

独立した非常減温減圧保護装置を設置することによって、主蒸気配管から蒸気をバイパスさせて、再熱器に送ることによって、再熱器を保護できるだけでなく、従来と違い、ユーティリティの直接放散と減温減圧後の工場利用以外に、低圧バイパスを経由して復水として回収することも可能である。従い、TG停止時でもボイラーは継続運転が可能となり、CDQの連続稼働を確保できる。また、発電機ユニットに故障が発生した場合、高圧・低圧バイパスシステムを迅速に起動し、作動物質を回収できる。

（3）安全保護インターロック・自動制御システムの搭載

CDQの装入・排出操作は周期性を有しており、循環ガス量や温度が持続的に変動するため、熱源の安定性は一般の石炭火力発電所に比べて大幅に劣る。「多炉一機（複数ボイラーにTG１基）」の母管統合モード＋高仕様再熱という複合システムを採用する場合、単一ボイラーの運転の変動が蒸気母管を通じて全システムに波及し、連鎖的な異常運転を誘発しやすい。従来のPID制御や設備単体の制御ロジックでは、このような多変数・強結合の複雑システムに対応できないため、制御体制にはリアルタイム性と予見性が非常に求められる。

上記に基づき、「変動発生後の安定化制御－プロセス効率向上－安全インターロックの相互連動」といった一体化した制御体制の構築のために、第3世代技術では、全システムをカバーする安全保護インターロック及びCDQ単位の負荷に円滑に対応する自動制御システムが搭載される。

ボイラーとTGの間で連動する安全インターロックには、ミリ秒単位のインターロック保護ロジックが設定され、蒸気温度・圧力、汽水胴水位、TGトリップなど多様な異常運転状態をカバーできる。例えばTGがトリップして非常停止した場合、システムが瞬時にバイパス装置を作動させ、再熱器の過熱損傷を防止する。このスマート制御システムにより、母管統合モードでの「多炉一機」の動的負荷バランスが実現され、熱源の周期的変動による影響を効果的に相殺し、広い負荷範囲にわたる設備の長期安定運転を確保すると同時に、人為的誤操作による安全リスクも大幅に低減できる。

自動制御システムは産業用通信ネットワークを活用し、数百個の操業パラメータをリアルタイムで収集するとともに、オンラインのデータ集計や同期比較も実施できるため、人的な「運転状況による事態予測」が可能となり、従来の「故障発生後に対処する」という受動的なメカニズムから、主動的なメカニズムへ転換することが可能となる。システムはボイラー入口ガス温度の変化を踏まえて、CDQ熱源の変動に合わせて、排出量や循環風量を自動で適合調整することで、熱源投入のバランスをとり、運転状態の急変が抑制され、CDQにおける中核となる負荷先行調整が強化された。これによって、蒸気発生量及び発電量の安定が最大限に保障される。

4　拡販の見込み及び展望

第3世代CDQ予熱発電技術は河北省工業と情報化庁が公表した『河北省2024年鋼鉄業界先進工芸技術装備推薦目録』に入選した。中国煉焦業界協会が2024年に開催した第三回中国コークス産業科技大会にて、本技術はコークス技術創新成果賞及び優秀応用見本を受賞した。2025年の中国鋼鉄工業協会『鋼鉄業界節能降碳技術実施指南』技術見本及び『鋼鉄極致能効能力一覧（2025）』に正式に収録された。2026年6月、鋼鉄業界における「コークス炉には高効率なCDQ設備を設置すべきである」ことは中国発展改革委員会等の部門が公表した『重点業界節能降碳改造攻略三カ年行動計画』で明確に指示された。

4.1 経済メリット

第3世代CDQ余熱発電技術の熱回収及びシステム制御の柔軟性により、企業のエネルギー購入コストは大幅に低減し、投資回収期間は短縮し、経済メリットは顕著である。210 t/h CDQを例として、高仕様再熱（超高温超高圧）技術の年間発電量は約3.15億kWhもあり、従来（第2世代）より約18%増加した。これによって企業のエネルギー自己供給率は大幅に向上する。グリッド接続前提の電気代を0.5元/kWhとすると、コークス1ton当たりの単純発電収益は90.75元もある。高温高圧技術に比べ、年間利益は約2385万元新規増加し、技術改造範囲の投資回収期間は僅かな1～2年となる。

4.2 社会的価値

第3世代CDQ余熱発電技術は伝統的な鉄鋼コークス業界のグリーン低炭素化モデルチェンジに再現可能な「新たな質の生産力」の見本を提供した。210 t/h CDQを例として、高仕様再熱（超高温超高圧）技術の年間発電量は約3.15億kWhもあり、コークス1tonあたりのCO2排出は約96.3kg削減され、年間SO2排出は約26ton、年間NOx排出は約42ton削減された。これにより所在地区の空気質は効果的に改善された。高温高圧技術に比べ、年間CO2排出は約2.53万ton削減され、年間標準石炭相当消費量は約5861ton節約できた。

4.3 応用範囲

第3世代CDQ余熱発電技術は新設案件と省エネ技術改造案件に適用するため、幅広い適用性を有する。125～260 t/hの各規模の新設CDQ＋余熱発電プロジェクトに適用するだけでなく、特に究極なエネルギー効率及び環境保全実績Aクラスを目指す大型鉄鋼一貫企業に適する。従来の中温中圧或いは高温高圧CDQ余熱発電ユニットのレベルアップ改造に適用する。高仕様再熱ボイラー及びTGに置き換えることにより、エネルギー効率の飛躍的な向上を実現できる。

第三世代に対応した高仕様TGが修繕や一時的な故障で使用できない状況で、高仕様TGの予備機のない場合でも、客先が第二世代に対応した古いTGを有してるならば、臨時的に高温高圧ユニットを改造して高仕様ボイラーを継続使用できる。高仕様ボイラー側非常減温減圧装置を利用して高仕様主蒸気を処理することで、第二世代のTG再熱器を保護する。調整制御後の再熱段の蒸気を既有の第二世代TGに送ることで、スライディングモード運転を遂行する。

5　おわりに

CDQ余熱発電技術は3回の進化を経て、その都度、技術革新が良好な経済効果、社会効果、環境効果をもたらしてきた。今後も、CDQ余熱発電技術は改良を重ね、より高仕様化、即ちより一層の省エネ化、よりスマートで高効率な方向へと着実に進化し、鉄鋼・コークス業界の低炭素モデルチェンジとグリーン化に向けた質の高い発展に引き続き貢献するであろう。

参考文献：

[1] 劉毅（2011.2）「干熄焦余熱鍋炉設計浅談」，pp.13-14

[2] 張立志・王瑞峰・姚潤賢（2019.5)「超高転速工業汽輪機技術探索」，pp.49

[3] 計秉権・林松・趙恒林ほか（2026.1）「高参数干熄焦余熱発電技術開発及応用」，pp.52-54

[4] 黄鑫・李偉・王偉楠（2024.2）「干熄焦余熱鍋炉過熱器爆管分析及対策」，pp.19-20

[5] 王春雷・羅飛・劉毅（2017.2)「DL/T438-2016有関鍋炉硬度要求与其它標準対比分析」，pp.20-21