JP2018080238A - コークス炉における乾留完了判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 室炉式コークス炉でコークスを乾留するにあたり、乾留の末期に発生ガス温度のピークが出現しにくい場合でも、発生ガス温度を指標として乾留完了を的確に判定する。
【解決手段】 本発明のコークス炉１における乾留完了判定方法は、複数の炭化室２を有するコークス炉の炭化室において、炭化室毎の石炭の乾留反応時に発生するガス９の温度を、所定時間間隔ｔ_it毎に測定して、一つ前のガス温度測定値と今回のガス温度測定値とを比較し、今回のガス温度測定値が一つ前のガス温度測定値よりも所定温度差Ｔcr以上低くなる最初の時点を基準時刻ｔ_０とし、基準時刻ｔ_０を開始時刻として、その後更に、一つ前のガス温度測定値と今回のガス温度測定値との温度差を継続して求め、該温度差が前記所定温度差Ｔcr以上となる場合が所定回数Ｎとなる時点までの時間を時間ｔ_１とし、前記基準時刻ｔ_０に前記時間ｔ_１を加えて求められる時刻ｔ_２を乾留完了時刻と判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、室炉式のコークス炉におけるコークスの乾留完了を判定する方法に関する。

石炭を乾留し、コークスを製造する室炉式のコークス炉では、複数の炭化室に石炭を順次装入して１１００℃前後の高温で乾留反応を行い、乾留反応が終了すると、生成されたコークスを押出機で炭化室から排出（窯出し）するという操業を行っている。その際、品質の良いコークス、例えば強度の高いコークスを製造し、且つ、コークス炉の操業を効率的に行うためには、窯出し前に石炭の乾留が完了しているか否かを正確に判定する必要がある。尚、石炭の乾留が完了したことを「火落」とも称する。

従来、乾留完了の判定は、「火見」と呼ばれる熟練者が炭化室につながる上昇管の上部に設けられたトップカバーを開放し、そこから排出される発生ガスに着火し、着火した際の炎の色を見て判断することによって行われていた。しかしながら、この方法では、数十個以上の炭化室毎に、且つ、乾留完了のタイミング毎に、頻繁に熟練者の判断が必要であり、作業負荷が高いことから、熟練者がトップカバーを開放して行う作業を必要としない乾留完了判定方法が望まれていた。

そこで、熟練者を必要としない乾留完了判定方法が従来から提案されており、提案された乾留完了判定方法は、発生ガスの温度を指標とする方法が主流となっている。

例えば、特許文献１には、乾留中に発生するガスの最高温度Ｔmaxと、火見によって判定検出された火落（乾留完了）時のガス温度Ｙとの関係式「Ｙ＝ａ×Ｔmax＋ｂ（ａ、ｂは、各コークス炉の構造によって決定される定数）」を予め求めておき、乾留中に発生するガスの温度変化を逐次測定し、その最高温度Ｔmax_１を検出し、この最高温度Ｔmax_１を上記関係式に代入して火落温度Ｙ_１を算出し、発生するガスの温度を引き続き測定し、測定されるガス温度が火落温度Ｙ_１に一致した時点を火落時と判定する方法が提案されている。

また、特許文献２には、乾留中に発生するガスの温度を測定し、判定火落時間Ｔと、発生ガス温度が最高になった時点の石炭装入時からの経過時間Ｘ_１、その後の温度降下勾配Ｘ_２、石炭の水分Ｘ_３、石炭の装入量Ｘ_４との関係式「Ｔ＝ａ_１×Ｘ_１＋ａ_２×Ｘ_２＋ａ_３×Ｘ_３＋ａ_４×Ｘ_４＋ｂ_１（ａ_１〜_４、ｂ_１は、各コークス炉の構造によって決定される定数）」を用いて、火落時刻を判定する方法が提案されている。

しかしながら、発生ガス温度が最高温度（ピーク温度）を示すことは、健全な炭化室（窯）における乾留時に、乾留される石炭量が乾留末期に増加することによって生じるもので、コークス炉の老朽に起因して均一な乾留が不可能である炭化室では、乾留される石炭量が乾留末期に増加せず、発生ガス温度の乾留末期でのピークが出現しにくくなる。現在、コークス炉の老朽化により、乾留末期に発生ガス温度のピークが出現しにくいケースが多数存在する。

特許文献１及び特許文献２に提案される発生ガスの最高温度を指標とする乾留完了判定方法は、発生ガス温度のピークが出現しにくくなった炭化室では適用することができず、他の乾留完了判定方法を用いる必要がある。

一方、発生ガス温度を用いない乾留完了判定方法として、発生ガスの組成を用いる乾留完了判定方法（例えば、特許文献３を参照）が提案されているが、数多い炭化室毎に分析装置を設置しなければならないなどから、分析装置の設置費用が嵩み、現実的ではない。

特公昭４６−６４９７号公報 特公昭５９−５０１９６号公報 特開昭６１−２６６４８９号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、室炉式のコークス炉でコークスを乾留するにあたり、乾留の末期に発生ガス温度のピークが出現しない場合でも、発生ガス温度を指標として乾留完了を的確に判定することのできる乾留完了判定方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］複数の炭化室を有するコークス炉の炭化室において、前記炭化室毎の石炭の乾留反応時に発生するガスの温度を、所定時間間隔ｔ_it毎に測定して、一つ前のガス温度測定値と今回のガス温度測定値とを比較し、今回のガス温度測定値が一つ前のガス温度測定値よりも所定温度差Ｔcr以上低くなる最初の時点を基準時刻ｔ_０とし、前記基準時刻ｔ_０を開始時刻として、その後更に、一つ前のガス温度測定値と今回のガス温度測定値との温度差を継続して求め、該温度差が前記所定温度差Ｔcr以上となる場合が所定回数Ｎとなる時点までの時間を時間ｔ_１とし、前記基準時刻ｔ_０に前記時間ｔ_１を加えて求められる時刻ｔ_２を乾留完了時刻と判定することを特徴とする、コークス炉における乾留完了判定方法。
［２］前記所定温度差Ｔcrを、前記コークス炉への石炭装入開始からの所定時刻ｔ_３から所定時刻ｔ_４までの期間に測定されたガス温度の平均値である平均ガス温度Ｔavを基準として下記の（１）式を用いて求めることを特徴とする、上記［１］に記載のコークス炉における乾留完了判定方法。
Ｔcr＝ａ×Ｔav＋ｂ………（１）
但し、（１）式において、ａ、ｂは、各コークス炉の構造によって決定される定数である。

本発明によれば、乾留末期に発生する発生ガス温度のピークを利用せずに、発生ガス温度が降下するときの温度勾配を利用して乾留完了を判定するので、乾留の末期に発生ガス温度のピークが出現しない老朽化したコークス炉における乾留であっても、乾留完了を的確に判定することが実現される。その結果、コークスの安定製造やコークス製造コストの削減が達成される。

本発明に係る乾留完了判定方法を実施する際に使用した室炉式コークス炉の一例を示す図であり、室炉式コークス炉の一部を示す断面図である。 発生ガス温度の時系列的な推移と、本発明の実施形態に係る乾留完了判定方法の概要とを示す図である。 本発明を適用する前後における判定不良の月別推移を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。

図１は、本発明に係る乾留完了判定方法を実施する際に使用した室炉式コークス炉の一例を示す図であり、室炉式コークス炉の一部を示す断面図である。

室炉式コークス炉１は、図１に示すように、石炭８を乾留する炭化室２と、炭化室２の上部に設置される上昇管３と、上昇管３の側面に設置される曲管４と、曲管４に接続する集合管５とを備えている。このような構成の炭化室２が水平方向に数十〜百基程度繋がって、室炉式コークス炉１が形成されている。炭化室２は、紙面の左右方向を長手方向とする直方体形状であり、直方体形状の両側（紙面と垂直な方向）には、耐火物製の側壁を隔てて燃焼室（図示せず）が設置されている。また、それぞれの炭化室２は、それぞれの上昇管３及び曲管４を介して集合管５と連結されている。

燃焼室内で燃料ガスが燃焼することで、燃焼室と炭化室２とを仕切る側壁が昇温し、この側壁の昇温によって炭化室２に充填された石炭８が加熱され、石炭８の乾留反応が起こる。この乾留反応によって生ずる発生ガス９は、上昇管３及び曲管４を通って集合管５に至る。集合管５は、発生ガス９を回収するためのガスホルダー（図示せず）に連結している。

曲管４には、発生ガス９の温度を測定する熱電対１０が、熱電対挿入管７を通して設置されている。熱電対１０の先端部は曲管４の内部に位置し、一方、熱電対１０の他端は温度測定装置１１に連結されており、熱電対１０に生じる起電力によって温度測定装置１１において、発生ガス９の温度が測定される。

温度測定装置１１による温度測定データは、乾留完了判定装置１２に伝送される。乾留完了判定装置１２は、伝送された温度測定データに基づき、石炭８の乾留完了の判定を実施する。尚、上昇管３の上端部には、開閉可能なトップカバー６が設置されている。

つまり、本発明に係る乾留完了判定方法を実施する室炉式コークス炉１には、１基の炭化室２に、熱電対挿入管７と熱電対１０と温度測定装置１１とからなる発生ガス温度測定手段、及び、乾留完了判定装置１２が配置されている。

通常、石炭８を乾留してコークスを製造すると、炭化室２が建設時とほぼ同等の形状である場合は、発生ガス９の温度は、乾留が開始されると上昇し、乾留末期に乾留される石炭量が増加することによって最高温度（ピーク温度）を示し、その後、充填した石炭８の中心部近くまで乾留が進むと、発生ガス９の温度は降下する。

しかしながら、室炉式コークス炉１の老朽化により、炭化室２と燃焼室との間の側壁が損耗するなどして燃焼室からの伝熱が炭化室２の長手方向及び炭化室毎に変化し、均一な乾留ができなくなると、乾留される石炭が所定時間経過後にまとまらず、発生ガス温度の乾留末期でのピークが出現しにくくなる。つまり、発生ガス９の温度はなだらかに降下する。

本発明は、発生ガス温度が乾留末期にピークを出現しにくい場合及びピークを出現しない場合であっても、発生ガス温度に基づいて的確に乾留完了を判定する方法を提供するものである。

図２に、発生ガス温度の時系列的な推移と、本発明の実施形態に係る乾留完了判定方法の概要とを示す。図２において、時刻ｔ_Ｓで石炭８の炭化室２への装入を開始し、乾留を開始する。乾留に伴って、発生ガス９の温度は上昇し、その後、発生ガス温度の変化の少ない期間を経て、発生ガス９の温度が降下し始める。発生ガス温度にピークが出現する場合には、ピークが出現した後に、発生ガス９の温度が降下し始める。

図２の「基準時刻及び乾留完了時刻判定期間」に示すように、発生ガス温度が降下し始めた頃から、熱電対１０によって測定される発生ガス温度について、所定時間間隔ｔ_it（１分〜１０分）の間隔毎に、一つ前のガス温度測定値と今回のガス温度測定値との比較を開始する。そして、今回のガス温度測定値が一つ前のガス温度測定値よりも所定温度差Ｔcr以上低くなる最初の時点を、基準時刻ｔ_０とする。

この基準時刻ｔ_０は、発生ガス温度の温度降下の勾配が急に大きくなる時点であり、つまり、温度変化の変曲点であり、乾留末期に出現する。ここで、所定温度差Ｔcrは、測定温度の差を算出する時間間隔である所定時間間隔ｔ_itに応じて変化するが、所定時間間隔ｔ_itを上記のように１分〜１０分とすれば、所定温度差Ｔcrを０．１℃〜１０℃の範囲に設定することで、確実に乾留完了時刻を判定することができる。

基準時刻ｔ_０を経過した以降、上記の所定時間間隔ｔ_it毎に、一つ前のガス温度測定値と今回のガス温度測定値との温度差を継続して求め、この温度差が前記所定温度差Ｔcr以上となる場合が所定回数Ｎとなる時点まで継続する。温度差が所定温度差Ｔcr以上となる場合が所定回数Ｎとなったなら、その時点までの、前記基準時刻ｔ_０からの時間ｔ_１を求める。そして、求めた時間ｔ_１を基準時刻ｔ_０に加えて求められる時刻ｔ_２を乾留完了時刻と判定する。

所定回数Ｎは２〜５回が好ましい。Ｎ＝１回では、その後に温度差が所定温度差Ｔcr未満となる可能性があり、乾留完了を精度良く判定できない。また、Ｎが６回以上では、判定に時間を費やし、作業能率が低下する。

温度差が所定温度差Ｔcr以上となる場合が所定回数Ｎとなった時点を乾留完了と判定する理由は、複数回にわたって確認することで、ガス温度が一旦低下して再び上昇するなどによって、温度変化の変曲点を誤検出することを防止するためである。また、基準時刻ｔ_０は乾留末期に現れる温度の変曲点であり、乾留完了は、基準時刻ｔ_０から更に時間の経過した後となる。前記時間ｔ_１は、基準時刻ｔ_０から乾留完了までの時間を設定するための時間である。

発生ガス温度の時系列的な推移は、乾留中期における発生ガス温度によって変化する。特に、温度変化の変曲点以降の温度降下勾配は、乾留中期における発生ガス温度と相関する。つまり、乾留中期における発生ガス温度が高いほど、温度変化の変曲点以降の温度降下の勾配は大きくなる。したがって、温度差の指標である所定温度差Ｔcrは、乾留中期における発生ガス温度に応じて変化させることが好ましい。

そこで、本発明では、想定される乾留時間の所定期間（例えば、想定される乾留時間の２０％以上７０％以下）の期間内の時刻ｔ_３から時刻ｔ_４までの期間に測定されたガス温度の平均値を平均ガス温度Ｔavと定義し、この平均ガス温度Ｔavを、乾留中期における発生ガス温度の代表値として用いる。つまり、本発明においては、温度差の指標である所定温度差Ｔcrを、平均ガス温度Ｔavを基準として設定することが好ましい。これは、想定される乾留時間の所定期間内では、図２に示すように、発生ガス温度の変化が少なく、発生ガス温度が安定していることに基づく。

具体的には、下記の（１）式を用いて所定温度差Ｔcrを求めることが好ましい。

Ｔcr＝ａ×Ｔav＋ｂ………（１）
但し、（１）式において、Ｔavは平均ガス温度、ａ、ｂは各コークス炉の構造によって決定される定数であり、ａは、０．０００５〜０．０５の範囲、ｂは、−５〜５の範囲がよい。

平均ガス温度Ｔavを基準として温度差の指標である所定温度差Ｔcrを設定することにより、平均ガス温度Ｔavが変化しても、的確に乾留完了を判定することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、複数の炭化室２を有する室炉式コークス炉１で石炭８を乾留してコークスを製造する際に、乾留末期に発生する発生ガス温度のピークを利用せずに、発生ガス温度が降下するときの温度勾配を利用して乾留完了を判定するので、乾留の末期に発生ガス温度のピークが出現しない老朽化した室炉式コークス炉１における乾留であっても、乾留完了を的確に判定することが実現される。

図１に示す室炉式コークス炉を用い、石炭の乾留操業を実施した。使用した石炭は、反射率が１．１で、ＭＦ（ギーセラー流動度）が２．３になるように配合して調製した通常配合の粉炭の石炭種である。

前記石炭種を乾留し、その乾留完了判定を本発明の実施形態の方法で実施した。具体的には、時刻ｔ_３を石炭装入後の１０時間後、時刻ｔ_４を石炭装入後の１２時間後として平均ガス温度Ｔavを求め、（１）式の係数ａを０．００５６、（１）式の係数ｂを−０．４８７３として所定温度差Ｔcrを設定し、所定時間間隔ｔ_itを５分、所定回数Ｎを３回として、乾留完了時刻を判定した。

乾留完了判定の良否は、「火見」と呼ばれる熟練者がトップカバーから排出される発生ガスに着火し、着火した炎の色を目視して判断することを同時に行い、熟練者が、炭化室への石炭装入後２０時間経過する以前に乾留が完了していると判定した炭化室のみを比較の対象とし、本発明に係る判定方法で判定した乾留完了時刻（時刻ｔ_２）が２０時間以上となった場合を判定不良とした。

図３に、本発明を適用する前後での判定不良の月別推移を示す。本発明を適用する以前は、曲管で測定される発生ガスの温度が石炭装入量に応じて設定した所定値になった時点を乾留完了と判定する方法である。

図３に示すように、本発明を適用することで判定不良は従来の１／３以下となり、乾留時間を無駄に延長させることなく、所望の特性を有するコークスを製造できることが確認できた。

１ 室炉式コークス炉
２ 炭化室
３ 上昇管
４ 曲管
５ 集合管
６ トップカバー
７ 熱電対挿入管
８ 石炭
９ 発生ガス
１０ 熱電対
１１ 温度測定装置
１２ 乾留完了判定装置

Claims (2)

1. 複数の炭化室を有するコークス炉の炭化室において、前記炭化室毎の石炭の乾留反応時に発生するガスの温度を、所定時間間隔ｔ_it毎に測定して、一つ前のガス温度測定値と今回のガス温度測定値とを比較し、今回のガス温度測定値が一つ前のガス温度測定値よりも所定温度差Ｔcr以上低くなる最初の時点を基準時刻ｔ_０とし、
   前記基準時刻ｔ_０を開始時刻として、その後更に、一つ前のガス温度測定値と今回のガス温度測定値との温度差を継続して求め、該温度差が前記所定温度差Ｔcr以上となる場合が所定回数Ｎとなる時点までの時間を時間ｔ_１とし、
   前記基準時刻ｔ_０に前記時間ｔ_１を加えて求められる時刻ｔ_２を乾留完了時刻と判定することを特徴とする、コークス炉における乾留完了判定方法。
2. 前記所定温度差Ｔcrを、前記コークス炉への石炭装入開始からの所定時刻ｔ_３から所定時刻ｔ_４までの期間に測定されたガス温度の平均値である平均ガス温度Ｔavを基準として、下記の（１）式を用いて求めることを特徴とする、請求項１に記載のコークス炉における乾留完了判定方法。
   Ｔcr＝ａ×Ｔav＋ｂ………（１）
   但し、（１）式において、ａ、ｂは、各コークス炉の構造によって決定される定数である。

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