JP2011246724A - コークス炉の燃料ガス用混合装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】コークス炉の燃料ガス（Ｍガス）供給方法および燃料ガス（Ｍガス）用混合装置を提供する。
【解決手段】ＢガスとＣガスがＭガスの流れ方向直角断面において均一に混合後、Ｍガスのガスカロリーを計測する。ＣガスをＢガスの流れ方向直角断面における中心部と周辺部に流入させ、ＢガスとＣガスのガス比率と、Ｂガスの流れ方向直角断面における中心部と周辺部におけるＣガス量比率とを調整し、必要に応じて更に且つ流入する際の流速を制御し、流入させる際の流速を、中心部と周辺部で等しくする。
【選択図】図１
【解決手段】ＢガスとＣガスがＭガスの流れ方向直角断面において均一に混合後、Ｍガスのガスカロリーを計測する。ＣガスをＢガスの流れ方向直角断面における中心部と周辺部に流入させ、ＢガスとＣガスのガス比率と、Ｂガスの流れ方向直角断面における中心部と周辺部におけるＣガス量比率とを調整し、必要に応じて更に且つ流入する際の流速を制御し、流入させる際の流速を、中心部と周辺部で等しくする。
【選択図】図１
Description
本発明は高炉ガス（以下Ｂガス）とコークス炉ガス（以下Ｃガス）を混合する装置に関し、特にＢガスの流れにＣガスを混合して均一な燃料ガスとするものに関する。
コークス炉は、石炭を乾留して高炉に還元剤として投入するコークスを製造する装置で、炭化室、燃焼室及び蓄熱室を其々複数基備え、蓄熱室で予熱したＭガスを燃焼室で燃焼することにより炭化室の石炭を乾留する。
コークス炉の操業では均一な品質のコークスを製造することが重要で、複数の炭化室間および各炭化室内における温度分布調整をＭガスの燃焼制御によって行う。最近、地球環境の観点から使用エネルギーの低減が要求され、燃焼制御の更なる高精度化が必要とされている。
コークス炉の操業では均一な品質のコークスを製造することが重要で、複数の炭化室間および各炭化室内における温度分布調整をＭガスの燃焼制御によって行う。最近、地球環境の観点から使用エネルギーの低減が要求され、燃焼制御の更なる高精度化が必要とされている。
燃料ガスの燃焼制御は、Ｍガス流量一定制御系と、Ｃガス流量を調整し、Ｍガスを一定のカロリーで燃焼させるためのＭガスカロリー一定制御系の二つの制御系を有するＭガスカロリー制御方法により燃焼制御が行われている。
Ｍガスカロリー制御方法では、Ｃガスをサンプリングしたものからその成分を求め、Ｃガスカロリが変動した場合に、Ｍガスカロリーが一定となるようにＢガス流量とＣガス流量を変化させる必要があるが、Ｍガス流量一定制御系とＭガスカロリー一定制御系が干渉するため、安定燃焼となるまで時間を要することが指摘されている。
特許文献１記載の制御方法は、コークス炉への投入熱量を設定するとともに、コークス炉に供給されるBガス及びCガスのそれぞれの燃料ガスの発熱量を検出し、これら設定投入熱量及びそれぞれの燃料ガスの発熱量に基づいて、設定投入熱量とほぼ等しい投入熱量が安定して得られるようにBガスおよび／またはCガスのコークス炉への供給熱量を制御することを特徴とするものである。
具体的には、投入熱量Ｅとし、設定したＭガス発熱量QM、検出したＢガス、Ｃガスの各々の発熱量ＱB、Qcより関係式を用いてＢガスとＣガスの流量比をγ（Ｃガス流量/Ｂガス流量）を用いて、必要なＢガス流量、Ｃガス流量を制御することを特徴としている。
特許文献２は、特許文献１記載の技術を改善し、経時変化するＢガス、Ｃガスの発熱量に基づき投入熱量を変更し、Mガス流量一定制御系とMガスカロリー一定制御系とが互いに干渉することによる投入熱量の変動を抑えることを特徴とするものである。
また、Mガスのガスカロリー一定燃焼を安定させる制御系として図３に示す制御系が検討されている。コークス炉１００への供給熱量を設定する際、Ｂガス、Ｃガスの両方についてガスクロクロマトグラフ装置で成分分析を行い、得られた分析値よりガス密度を求め、Ｍガス流路のオリフィスの密度補正を行うことを特徴とする。
ＢガスとＣガスの流路で流量計６０、流量計７０の下流にガスクロクロマトグラフ装置２００を配置し、その分析値より各ガス密度を求める。
混合機１１０でＢガスとＣガスを混合後、流量制御弁９０で調整されるＭガスの流量は、流量計８０での計測値を密度補正するので、供給熱量（Ｍガス熱量と流量の積）を正確に設定することが可能となる。高精度な燃焼制御が可能となるため、ＮOＸ保証の安定性が向上する。
しかしながら、特許文献１，２記載の発明によれば、炉温の安定は向上するが、Ｂガス、Cガスのそれぞれの流路にカロリー計を配置し、それらの測定値を基にMガスの発熱量を求めるので、Ｍガスカロリー値はＢガスおよびＣガスのカロリー測定値に基づく計算値であり、真のＭガスカロリーとは較差を生じる。また、流量制御方式も複雑になり燃焼制御の安定化は十分でない。
また、図３に記載されている方法は、高価なガスクロ分析装置をＢガス、Ｃガスの成分分析用に複数台必要とするので設備費が掛かり、流量計の密度補正自体も容易ではない。
そこで、本発明は、ＢガスやＣガスのガスカロリーが変動した場合に、精度良くＭガスのガスカロリーを制御する装置を提供することを目的とする。
本発明の課題は以下の手段により達成できる。
１．高炉ガス供給管に装着され、高炉ガスにコークス炉ガスを混合させてコークス炉の燃料ガスとする混合装置であって、
管部と、高炉ガスの周辺部にコークス炉ガスを供給するノズル部と、高炉ガスの中心部にコークス炉ガスを供給するノズル部とを備え、
前記管部は、管径が高炉ガス供給管と同径で、管軸方向の一部に、管内壁に沿ってコークス炉ガスを旋回流として吹き込む複数のスリットを有し、前記スリットを設けた管部は前記高炉ガスの周辺部にコークス炉ガスを供給するノズル部を有する外管を備えた二重管構造で、
前記ノズル部は円錐状に開口したノズル口と、前記ノズル口の前方に同軸で配置される円錐状部材を有し、前記円錐状部材はその中心部に前記ノズル口と連通する開口部を有し、
前記ノズル口と前記円錐状部材は、前記管部の上流側から、その径方向断面の中心部にコークス炉ガスを吹き込むように配置されていることを特徴とするコークス炉の燃料ガス用混合装置。
管部と、高炉ガスの周辺部にコークス炉ガスを供給するノズル部と、高炉ガスの中心部にコークス炉ガスを供給するノズル部とを備え、
前記管部は、管径が高炉ガス供給管と同径で、管軸方向の一部に、管内壁に沿ってコークス炉ガスを旋回流として吹き込む複数のスリットを有し、前記スリットを設けた管部は前記高炉ガスの周辺部にコークス炉ガスを供給するノズル部を有する外管を備えた二重管構造で、
前記ノズル部は円錐状に開口したノズル口と、前記ノズル口の前方に同軸で配置される円錐状部材を有し、前記円錐状部材はその中心部に前記ノズル口と連通する開口部を有し、
前記ノズル口と前記円錐状部材は、前記管部の上流側から、その径方向断面の中心部にコークス炉ガスを吹き込むように配置されていることを特徴とするコークス炉の燃料ガス用混合装置。
本発明によれば、コークス炉への供給熱量の制御を簡単な方法で正確に行うことが可能で、排ガスロスが削減でき、産業上極めて有用である。また、MガスのカロリーはBガスとCガスが均一に混合された後に検出されるので、検出されたガスカロリーは真の値となり、投入熱量が安定し、炉温の不安定、コークス品質低下及びエネルギー原単位の増大を防止する。
本発明は、Mガス流量一定制御系と、Ｃガス流量を調整し、Ｍガスを一定のカロリーで燃焼させるためのＭガスカロリー一定制御系の二つの制御系を有するＭガスカロリー制御方法において、Ｍガスの経路にカロリー計を配置し、Ｍガスのカロリーを直接求めること、及びカロリー計をＢガスとＣガスが均一に混合された後のガス経路に配置することを特徴とする。
図１は本発明に係るコークス炉の燃焼制御方法の制御構成を示す制御フロー図で、１はコークス炉、２はカロリー計、３は排ガス分析を行う分析装置、４はコークス炉１へのＭガスの投入熱量を設定する計算装置、５はＢガス流量を測定する流量計、６はＣガス流量を測定する流量計、７はＭガス流量を測定する流量計、８はＭガスの流量制御弁、９は排ガスの圧力制御弁、１０はＢガスとＣガスを混合する混合装置、１１は煙突（排ガス塔）、ｅは混合装置１０とカロリー計２の取付け位置との間隔を示す。
本発明に係る燃焼制御方法において、コークス炉１へ供給するＭガスの投入熱量を目標炉温と実績炉温較差より計算装置４で求め、燃焼中、Ｍガスの投入熱量が一定となるようにＭガスは、Ｍガス流量計７とＭガス流量制御弁８を用いて制御し、コークス炉からの排ガスは圧力制御弁９で圧力制御された後、煙突１１から排出される。
Ｍガスの投入熱量はＭガス熱量と流量の積で求めるが、Ｍガス熱量は混合装置１０の下流側の燃料ガス経路に取り付けたカロリー計２により直接計測する。また、カロリー計２によりＭガスカロリーを検出し、Ｂガス流量計５とＣガス流量計６を用いて、Ｂガス流量とＣガス流量比を補正する。
カロリー計２は、混合装置１０で混合されたＢガスとＣガスが、Ｍガス経路の径方向断面で均一に分布するようになった位置（図中、間隔ｅと表示）、すなわち、ＭガスにおけるＣガス濃度分布差が解消した位置から下流側に取り付けるとＭガス熱量の計測精度が向上し好ましい。
本発明ではＢガスとＣガスが、燃料ガス経路の径方向断面で均一に分布するように混合装置１０を用いて、Ｂガスのガス流の中心部と周辺部にＣガスを混流させる。
Ｍガスにおける均一性は、Ｂガスの流れ方向直角断面における中心部と周辺部におけるＣガス量比率とを調整して行うが、更にＢガスにＣガスを流入させる際の流速も制御することが好ましい。流入させる際の流速は、中心部と周辺部で流速差１０％以内にすることにより均一性が向上して好ましい。
図２は本発明に係る混合装置の一例を示す断面図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図を示す。図において１２は混合装置全体、１３はＢガスの中心部にＣガスを供給するノズル、１４はＢガスの周辺部にＣガスを供給するノズル、１５はノズル１３、１４が取り付けられ、Ｂガス供給管２０とＭガス供給管２１の間に装入される管部、１５１は管部１５の外管、１６はノズル１４により供給されるＣガスを旋回させる旋回翼、１７はノズル１３の前方に配置される円錐状部材、１８は円錐状部材１７の中心部に設けられた開口部、１９は管部１５の内壁に複数設けられ、Ｃガスを旋回流として管部１５の周辺部に吹き込むためスリット、２０はＢガス供給管、２１がＢガスにＣガスを混合させたＭガスをコークス炉に供給するためのＭガス供給管を示す。
混合装置１２は、管部１５とノズル１３、１４を備え、Ｂガス供給管２０に同軸で装着される。管部１５は、管径がＭガス供給管２１と同径で、管軸方向の一部に、管内壁に沿ってＣガスを旋回流として吹き込む複数のスリット１９が設けられ、前記スリット１９を設けた管部はＣガスを供給するノズル１４を備えた外管１５１を有する二重管構造となっている。
スリット１９の形状は、Ｃガスが円滑に旋回流として管内に送給されれば良く特に規定しないが、管部１５の内壁の周方向に等間隔に設けることが望ましい。
ノズル１３は円錐状に開口したノズル口と、前記ノズル口の前方に同軸で配置される円錐状部材１７を有し、円錐状部材１７はその中心部に前記ノズル口と連通する開口部１８を設ける。このような構造とすることによりＣガスをＢガスの中心部に安定して吹き込むことが可能となる。
そのため、ノズル１３は、ノズル口が管部１５内において開口するような形状、例えばＬ字形状で、前記円錐状部材１７も管部１５内において、Ｃガスを管部１５の径方向断面の中心部に吹き込むように配置する。
ノズル１３に供給されるＣガスはノズル口と円錐状部材１７との隙間、および円錐状部材１７の開口部１８から吹き込まれる。ノズル１３は管部１５に支持部材ａ，円錐状部材１７は管部１５に支持部材ｂで取り付けられる。支持部材ａ，ｂはガス流を妨げないように棒状部材を用いることが望ましい。
一方、ノズル１４に供給されるＣガスは、ノズル１４が取り付けられ、その内部に旋回翼１６を有する外管１５１から、管部１５の内壁に設けられたスリット１９により管部１５の内壁に沿う旋回流となり、Ｂガスの周辺部に供給される。
本発明によれば、Ｍガス熱量を直接計測し、サンプリングによるＣガス成分とＢ／Ｃガス比率を用いて計算により求める場合と比較してより高精度で且つ即応性に優れる燃料ガスカロリー一定制御系を構築することが可能となる。
図２に示す混合装置においてＢガス供給管１３５０Φ、Ｃガス供給用ノズル径３００Φとし、Ｍガス燃焼時の流量をＢガス：５１９４０（Ｎｍ３／Ｈ）、Ｃガス：４５００（Ｎｍ３／Ｈ）とした場合、混合長は４４ｍ近傍で、Ｃガス濃度分布差が１％以下と良好であった。
また、Ｃガス混入部より６０ｍ位置では、Ｃガス濃度分布差は０．３％程度で、一方、周辺ガスだけ吹き込む従来法では６％程度であった。
尚、本発明のＭガス供給方法において、Ｍガス流量一定制御系は周知のものを用い、Ｍガス流量一定制御系とＭガスカロリー一定制御系の二つの制御系も周知の方法により制御する。以下、本発明の効果を実施例により説明する。
種々の構造の混合装置を用いてＢガス供給管にＣガスを吹き込み、混合状態を調査した。
本発明例は図２に示す混合装置を用い、中心ノズル径３５０ｍｍ，周辺スリットは８０×５０ｍｍの矩形の開口部で、管内壁の周方向に等間隔で１６個設けた。Ｂガス供給管は１３５０ｍｍ径とした。
本発明例は図２に示す混合装置を用い、中心ノズル径３５０ｍｍ，周辺スリットは８０×５０ｍｍの矩形の開口部で、管内壁の周方向に等間隔で１６個設けた。Ｂガス供給管は１３５０ｍｍ径とした。
比較例は図４、５に示す構造の混合装置で、Ｂガス供給管３００の周辺部にのみ、Ｃガス供給ノズル４００からＣガスを供給する。図４ではＢガス供給管３００は１３５０ｍｍ径、Ｃガス供給ノズル４００は４００ｍｍ径、図５ではＢガス供給管３００は１３５０ｍｍ径、Ｃガス供給ノズル４００は５００ｍｍ径、３本のＣガス供給ノズル４００を連結するリング管５００は４００Ａとした。
表１に試験条件および混合性を示す。混合性は混合位置から６０ｍ下流断面にて測定した。本発明例Ｎｏ．１〜４はＣガス濃度分布差が１％以下と良好であるのに対し、比較例Ｎｏ．５，６では６％程度と劣っていた。
尚、本発明例において、中心ノズルと周辺スリットから吹き込まれるＣガス速度が略等しいＮｏ．２は０．２１％、Ｎｏ．４は０．１７％で、周辺スリットから吹き込まれるＣガス速度が中心ノズルに対し約４倍となるＮｏ．１は０．２６％、周辺スリットから吹き込まれるＣガス速度が中心ノズルに対し約０．５倍となるＮｏ．３は０．３０％と劣っていた。尚、本発明例はいずれも排ガス中のＮＯｘ濃度が、比較例より低かった。
１ コークス炉
２ カロリー計
３ 排ガス分析を行う分析装置
４ コークス炉へのＭガスの投入熱量を設定する計算装置
５ Ｂガス流量を測定する流量計
６ Ｃガス流量を測定する流量計
７ Ｍガス流量を測定する流量計
８ Ｍガスの流量制御弁
９ 排ガスの圧力制御弁
１０、１２ 混合装置
１１ 排ガス塔
１３、１４ ノズル
１５ 管部
１５１ 外管
１６ 旋回翼
１７ 円錐状部材
１８ 開口部
１９ スリット
２０ Ｂガス供給管
２１ Ｍガス供給管
ａ，ｂ 支持部材
ｅ 混合装置とカロリー計の間隔
６０、７０、８０ 流量計
９０ 流量制御弁
１００ コークス炉
１１０ 混合装置
２００ ガスクロクロマトグラフ装置
３００ Ｂガス供給管
４００ Ｃガス供給ノズル
５００ リング管
２ カロリー計
３ 排ガス分析を行う分析装置
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５ Ｂガス流量を測定する流量計
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１１ 排ガス塔
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１１０ 混合装置
２００ ガスクロクロマトグラフ装置
３００ Ｂガス供給管
４００ Ｃガス供給ノズル
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Claims (1)
- 高炉ガス供給管に装着され、高炉ガスにコークス炉ガスを混合させてコークス炉の燃料ガスとする混合装置であって、
管部と、高炉ガスの周辺部にコークス炉ガスを供給するノズル部と、高炉ガスの中心部にコークス炉ガスを供給するノズル部とを備え、
前記管部は、管径が高炉ガス供給管と同径で、管軸方向の一部に、管内壁に沿ってコークス炉ガスを旋回流として吹き込む複数のスリットを有し、前記スリットを設けた管部は前記高炉ガスの周辺部にコークス炉ガスを供給するノズル部を有する外管を備えた二重管構造で、
前記ノズル部は円錐状に開口したノズル口と、前記ノズル口の前方に同軸で配置される円錐状部材を有し、前記円錐状部材はその中心部に前記ノズル口と連通する開口部を有し、
前記ノズル口と前記円錐状部材は、前記管部の上流側から、その径方向断面の中心部にコークス炉ガスを吹き込むように配置されていることを特徴とするコークス炉の燃料ガス用混合装置。
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-
2011
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