JP2023183345A - コークス炉バーナ配管およびコークス炉燃料ダクト劣化補修方法 - Google Patents

Abstract

【課題】とくに経年劣化により燃料供給ダクトの垂直性が悪化した既存コークス炉において、大規模補修を要せず、確実に燃料ガスを燃焼室に供給できる技術を提供する。【解決手段】本願はコークス炉バーナ配管であり、既設コークス炉の燃焼ガス用ダクト内に挿入される。バーナ配管１は、複数に分割された挿入管１０，３０と、前記挿入管間に設けられるジョイント２０,４０と、を含む。前記挿入管１０，３０と前記ジョイント２０,４０との連結部において、周方向に形成される遊び２５を有する。【選択図】図１

Description

本発明は例えば経年劣化した既存コークス炉燃料ダクトに用いるバーナ配管に関する。

コークスは、コークス炉において石炭を高温（たとえば1,300℃以上）で蒸し焼きにする乾留工程により製造され、主に鉄鋼メーカの製鉄工程にて用いられる。

コークス炉は、上部に炭化室と燃焼室とが交互に水平に配列されている。炭化室では、石炭を主とした原料を乾留してコークスを製造する。燃焼室には燃料ガスと空気とが供給され、高温（例えば1000℃～1400℃）の燃焼ガスが生成する。炭化室と燃焼室とは耐熱煉瓦等からなる壁により隔てられている。燃焼熱は隔壁を介して炭化室に伝熱する。これにより炭化室内の石炭が加熱される。

蓄熱室はコークス炉下部に設けられている。燃焼室での高温排ガスは蓄熱室に導かれ、保有熱の一部が蓄熱レンガに蓄熱される。蓄熱室は壁を隔てて、空気供給ダクトや燃料供給ダクトと並列している。蓄熱室の熱は、空気供給ダクトや燃料供給ダクトをから燃焼室に導入される空気の予熱に利用する。炭化室にてコークス製造時に発生する乾留ガス（以下COG）は回収精製処理され、新たなエネルギーとして再利用される。

空気供給ダクトや燃料供給ダクトは下部より燃焼室に連通している。

ところで、本願出願時において、既設コークス炉は建設から半世紀を経て、経年劣化が目立つようになった。とくに、燃料供給ダクトのひび割れ等により、ガス漏れ等が発生し、意図せぬところで燃焼し、燃焼室において所定の温度が得られないこともある。温度不足は生産性の低下、コークス品質のバラツキなど製造機能低下の原因となる。

燃料供給ダクトのひび割れ等は補修しようにも、半世紀前に建設された既設コークス炉は、補修を想定しておらず、どこでひび割れが発生しているのか発見する方法も確立していない。仮にひび割れ箇所を特定できても、充分な作業空間もなく、補修は困難である。

経年劣化した既存コークス炉に対し、保全用バーナ配管が提案されている（例えば特許文献１）。保全用バーナ配管は、セラミック管からなる配管と、金属製ベローズ管とを連結して形成される。保全用バーナ配管外径は燃料供給ダクト内径より小さく、保全用バーナ配管長は燃料供給ダクト長と同等である。

保全用バーナ配管を既設燃料供給ダクトに挿入する。これにより、燃料供給ダクトのひび割れ等を補修することなく、確実に燃料ガスを燃焼室バーナに供給できる。

特開2020-158715号公報

実際に上記保全用バーナ配管を運用してみて、既設燃料供給ダクトの垂直性が想像以上に悪化していることが分かった。

上記保全用バーナ配管も金属製ベローズ管からなる部位を有する。これにより、垂直性が悪化した既設燃料供給ダクトに対し、適宜曲げながら挿入できる。

しかし、高温領域に対応する上記保全用バーナ配管の本体部分は比較的長く、かつ、本体部分は剛性が高く、本体部分が障害となって、金属製ベローズ管の可撓性を十分に発揮できない。

また、既設燃料供給ダクトにおいてどのように垂直性が悪化しているのか、特定および予測が困難であり、試行錯誤しながら保全用バーナ配管を挿入する。その結果、当初の想定より手間を要する。また、金属製ベローズ管は低剛性であるため、この点でも挿入作業は想定より手間を要する。

さらに、金属製ベローズ管の耐熱温度は最大１０００℃であり、耐熱性は充分であると期待していたが、当初の想定より、早く劣化しやすいことがわかった。

本発明は、上記課題を解決するものであり、経年劣化した既存コークス炉において、大規模補修を要せず、確実に燃料ガスを燃焼室に供給することを目的とする。

とくに、垂直性が悪化した燃料供給ダクトにバーナ配管を容易且つ確実に挿入することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、コークス炉の燃焼ガス用ダクト内に挿入されるコークス炉バーナ配管である。バーナ配管は複数に分割された挿入管と、前記挿入管間に設けられるジョイントを含み、前記挿入管と前記ジョイントとの連結部において、周方向に形成される遊びを設けた事を特徴とする。

遊びを設けた事により、挿入管間に角度調整機能が付加され機能することで、垂直性が悪化した燃料供給ダクトの形状に対応しながら、複数の挿入管を連結できる。

さらに好ましくは、上記バーナ配管において、前記遊びは挿入管直径の２～１２％である。

これにより、角度調整機能と気密性を両立できる。

さらに好ましくは、上記バーナ配管において、前記挿入管端面と前記ジョイントの管端面受部との間に配置された耐熱パッキンおよび耐熱パテを含む。

耐熱パッキンおよび耐熱パテは角度調整時の挿入管端面の動きに追従する。これにより、気密性を確保できる。

さらに好ましくは、上記バーナ配管において、前記ジョイントの挿入部は、前記挿入管内に挿入される。

これにより、バーナ配管の外径連結部で太くならないようにできる。

さらに好ましくは、上記バーナ配管において、複数の挿入管のうち少なくとも最上部の挿入管はセラミックス製である。

これにより、燃焼室の高熱にも対応できる。

さらに好ましくは、上記バーナ配管において、前記最上部のセラミックス製挿入管に接続されるジョイントはセラミックス製である。

これにより、燃焼室の高熱にも対応できる。

さらに好ましくは、上記バーナ配管において、複数の挿入管のうち少なくとも最下部の挿入管は金属製である。

これにより、連結された挿入管の自重に対応できる。

さらに好ましくは、上記バーナ配管において、前記最下部の金属製挿入管に接続されるジョイントは金属製である。

これにより、連結された挿入管の自重に対応できる。

上記目的を達成するために、本発明は、コークス炉修繕用バーナ配管の設置方法である。修繕用バーナ配管は、複数に分割された挿入管と、前記挿入管間に設けられるジョイントとを含み、前記挿入管と前記ジョイントとの連結部において、周方向に形成される遊びを有する。

最初の挿入管を既設コークス炉の燃焼ガス用ダクト内に挿入し、前記挿入管端面とジョイントの管端面受部との間に耐熱パッキンおよび未硬化の耐熱パテを配置しながらジョイントおよび次の挿入管を挿入し、前記遊びを介して挿入管の軸方向角度を調整し、前記挿入管とジョイントの挿入を繰り返し、連結する。

挿入管間に遊びを設けた事により角度調整機能が作動し、垂直性が悪化した燃料供給ダクトの形状に対応しながら、複数の挿入管を連結できる。耐熱パッキンおよび耐熱パテは角度調整時の挿入管端面の動きに追従し、気密性を確保できる。未硬化の耐熱パテは塑性変形する。

さらに好ましくは、上記修繕用バーナ配管の設置方法において、前記未硬化の耐熱パテはコークス炉修繕用バーナ配管の設置後に硬化する。

これにより、修繕用バーナ配管の形状が確定する。

本願発明のバーナ配管によれば、例えば経年劣化した既存コークス炉において、大規模補修を要せず、確実に燃料ガスを燃焼室バーナに供給することができる。

とくに、垂直性が悪化した燃料供給ダクトにバーナ配管を容易に挿入できる。

既存コークス炉と修繕例 修繕用バーナ配管の概略構成図 修繕用バーナ配管の詳細構成図 修繕用バーナ配管の詳細構成図 修繕用バーナ配管の動作説明図 修繕用バーナ配管の動作説明図 変形例 変形例 変形例 変形例

～コークス炉～
図１は既存コークス炉と修繕例の概略構成図である。コークス炉上部において、炭化室と燃焼室とが交互に水平に配列されている。炭化室と燃焼室とは耐熱煉瓦等からなる隔壁により隔てられている。燃焼室で生成した燃焼熱は隔壁を介して炭化室に伝熱する。

燃焼室には、空気供給ダクトや燃料供給ダクトを介して、コークス炉下部から、空気や燃料が供給される。ここで、燃料供給ダクトにひび割れ等の劣化があると、ガス漏れが起きる。漏れたガスは意図せぬ箇所で燃焼する。その結果、燃焼室において所定の温度が得られないこともある。

本願では、修繕用バーナ配管１を既設燃料供給ダクトに挿入する。例えば、既設燃料供給ダクトの長さは6m程度であり、修繕用バーナ配管１の全長も6m程度である。既設燃料供給ダクトの設計上の内径は６５ｍｍであり、修繕用バーナ配管１の外径は５０ｍｍである。なお、各数値は発明の理解補助のための例示であり、これに限定されない。すなわち、既設燃料供給ダクト内に修繕用バーナ配管１が挿入可能であればよい。他の数値も同様である。

これにより、経年劣化した既存コークス炉において、大規模補修を要せず、確実に燃料ガスを燃焼室に供給できる。

～修繕用バーナ配管概要～
図２は修繕用バーナ配管の概略構成例である。修繕用バーナ配管１の全長を6m程度と想定すると、長さ５００ｍｍ程度の１２の挿入管を連結する。

図示の例では、１０のセラミックス管１０と、２つの金属管３０とから構成される。挿入管と挿入管との間にジョイントが設けられる。ジョイントにはセラミックス製２０と、金属製４０とがある。図示の例では、セラミックス管１０,１０間にはセラミックス製ジョイント２０を配置し、セラミックス管１０と金属管３０との間には金属製ジョイント４０を配置し、金属管３０,３０との間には金属製ジョイント４０を配置する。

少なくとも、燃焼室に連結する最上部の挿入管はセラミックス製であることが好ましい。燃焼室では高温（例えば１０００～１４００℃）となるが、セラミックス製であれ１５００℃以上の耐熱性も実現可能である。

ただし、セラミックス管１０は金属管に比べ高コストであり、耐荷重性に劣る。挿入管を上下に連結させると、下部では自重を無視できなくなる。また、想定温度が１０００℃を超えることがない箇所（例えば想定温度８００℃以下）は、セラミックス管である必要はない。以上の理由から、少なくとも、最下部の挿入管は金属製であることが好ましい。金属管３０は、コストを抑制し、連結挿入管の自重に耐えることができる。

なお、上記挿入管およびジョイントの材質については例示であり、発明の技術思想の範囲で適切に選択する（下記変形例参照）。

～連結構造詳細構成～
図３および図４は、修繕用バーナ配管の連結構造の詳細構成図である。図３は概略斜視図であり、図４は概略平面図である。

ジョイント２０は、上下の挿入部２１,２１と、挿入部２１,２１の間に設けられた管端面受部２２とからなる。挿入部２１はセラミックス管１０に内挿される。セラミックス管１０端面は耐熱パッキン２８および耐熱パテ２９を介して管端面受部２２に当接される。

なお、ジョイント２０がセラミックス管１０を外挿してもよいが、外挿構造は管径より太くなりすぎると、既設燃料供給ダクトへの挿入が困難になるおそれもある。挿入部２１はセラミックス管１０に内挿される内挿構造の方が、既設燃料供給ダクト内への修繕用バーナ配管１挿入が容易となり好ましい。

セラミックス管１０とジョイント挿入部２１の内挿構造において、適度な遊び２５があることが好ましい。セラミックス管１０内周と挿入部２１外周の間に周方向に沿って遊び２５が形成される。

図示の例では、セラミックス管１０の内径を４２ｍｍとするとき、挿入部２１外径を４０ｍｍとし、両端に１ｍｍずつ（計２ｍｍ）の遊び２５を設ける。遊び率は２／４２＝５％程度となる。遊び率は２～１２％であることが好ましい。さらに遊び率は４～８％であることがより好ましい。遊び率が小さいと、角度調整機能（詳細後述、図５、６参照）が不十分となる。遊び率が大きいと、連結が不十分となり、ガス漏れリスクが発生する。

試作例では、遊び率は５／４２＝１２％程度以上になると、ガス漏れリスクが顕著になった。

ジョイント２０の挿入長は１０～２０mm程度が好ましい。挿入長が短いと、連結が不十分となる。また、ガス漏れリスクが発生する。挿入長が長いと、角度調整機能（詳細後述、図５、６参照）が不十分となる。

本願挿入管１０，３０は高剛性であり可撓性はないが、遊び２５において可撓性欠如を補う。

ただし、意図的に遊び２５を設けることで、気密性が低下する。そこで、セラミックス管１０端面と管端面受部２２とのに耐熱パッキン２８および耐熱パテ２９が設けられている。

耐熱パッキン２８はたとえばアルミナ繊維やガラスファイバーを主成分とし、１４００℃程度の耐熱性を期待できる。耐熱パッキン２８は気密性を維持しながら、セラミックス管１０端面の動きに追従する。

耐熱パテ２９はたとえば水酸化アルミニウムを主成分とし、１２００℃程度の耐熱性を期待できる。未硬化パテは塑性であり、気密性を維持しながら、セラミックス管１０端面の動きに追従して変形する。加熱より当該形状で硬化する。例えば、水酸化アルミニウムを主成分とするパテは加熱により脱水し、セラミック状の酸化アルミニウムとなる。

したがって、遊び２５により低下した気密性を耐熱パッキン２８および耐熱パテ２９は補填する。

～動作～
図５は、修繕用バーナ配管の連結構造の詳細構成図である。例えば、セラミックス管１０内径４２ｍｍに対し、両端に１ｍｍずつの遊び２５を設け、ジョイント２０挿入長１０～２０mm程度とすると、３～５度程度（片側）の角度調整が可能となる。ジョイント２０上下では最大１０度程度の角度調整が可能となる。さらに、セラミックス管１０内径４２ｍｍに対し、両端に２ｍｍずつの遊び２５を設け、ジョイント２０挿入長１０～２０mm程度とすると、５～１０度程度（片側）の角度調整が可能となる。ジョイント２０上下では最大２０度程度の角度調整が可能となる。

まず、最上部に相当するセラミックス管１０を既設燃料供給ダクトに挿入する。次に、耐熱パッキン２８および耐熱パテ２９とともに、セラミックス製ジョイント２０を配置し、次のセラミックス管１０を既設燃料供給ダクトに挿入する。これに伴い先行するセラミックス管１０は押し上げられる。

仮に、既設燃料供給ダクトの垂直性が悪化している場合、遊び２５の角度調整機能が作動し、先行するセラミックス管１０は既設燃料供給ダクトの傾きに沿う。さらに、耐熱パッキン２８および耐熱パテ２９は先行するセラミックス管１０の下側端面の動きに追従する。

セラミックス管１０とセラミックス製ジョイント２０の挿入を繰り返し、適宜、金属管３０と金属製ジョイント４０を挿入し、各管を連結し、修繕用バーナ配管１を形成する。このとき既設燃料供給ダクトに曲がりがあるたびに、遊び２５の角度調整機能が作動する。

修繕用バーナ配管１配置時には、耐熱パテ２９は未硬化であり、塑性変形するが、設置後は当該形状を維持したまま加熱により硬化し、気密性を確保する。これにより、修繕用バーナ配管１の形状は確定する。

図６は、遊び２５の角度調整機能の更なる動作説明図である。図５では１つの遊び２５の角度調整機能について説明した。複数の遊び２５の角度調整機能の連動により、複雑な劣化燃料供給ダクト形状に対応できる。

図６Aは、一方向に大きく傾く場合である。２つの遊び２５の角度調整機能が同一方向に作動することで、大きな傾きに対しても対応できる。複数の遊び２５を組み合わせることで、より大きな傾きに対しても対応できる。

図６Bは、細かくS字状に傾く場合である。２つの遊び２５の角度調整機能が逆方向に作動することで、細かなS字状の傾きに対しても対応できる。複数の遊び２５を組み合わせることで、より複雑な傾きに対しても対応できる。

～効果～
既設燃料供給ダクトにおいてどのように垂直性が悪化しているのか、特定および予測が困難であるが、劣化燃料供給ダクト形状に対応して、修繕用バーナ配管１は変形しながら、挿入される。このとき、劣化燃料供給ダクトを大規模補修することはない。これにより、経年劣化した既存コークス炉において、大規模補修を要せず、確実に燃料ガスを燃焼室に供給できる。

セラミックス管１０および金属管３０は高剛性であり、挿入作業は容易である。

また、高温想定領域に、セラミックス管１０およびセラミックス製ジョイント２０を配置することができ、燃焼室の高熱の影響は抑制され、比較的長期間の運用が可能である。

～変形例～
本願発明は上記実施形態に限定解釈されず、本願発明の技術思想の範囲で種々の変形が可能である。

図７に記載の変形例においては、修繕用バーナ配管１は全てセラミックス管１０およびセラミックス製ジョイント２０から形成される。比較的全域において高温となり、かつ、全長が短く、自重の影響が少ない場合は、当該変形例とすることもできる。

図８に記載の変形例においては、修繕用バーナ配管１は全て金属管３０および金属製ジョイント４０から形成される。図９B（後述）に示すように、修繕用バーナ配管１を燃焼室まで延長する必要のない場合は、高温領域に挿入管を配置する必要がない。当該変形例のように全て金属管３０および金属製ジョイント４０とすることができる。

図７に記載の変形例では全てセラミックス製とし、図８に記載の変形例では全て金属製としたが、セラミックスと金属を適宜用いればよい。

図９Aに記載の変形例においては、さらに、従来例で用いたベローズ管５０を適宜用いてもよい。本願発明では、耐熱性の高いセラミックス管を多く用いることができる。その結果、高温想定領域を避けてベローズ管５０を用いることができる。ベローズ管５０は遊び２５の角度調整機能では対応不可能な個所に介挿する。ベローズ管５０を比較的短くでき、低剛性であっても、扱いやすい。

図９Bに記載の変形例においては、修繕用バーナ配管１は燃焼室まで到達していない。燃焼室直近の既設燃料供給ダクトは目視可能であり、劣化の有無を判断できる。仮に、劣化箇所があっても、簡単に補修可能である。既設燃料供給ダクトの最上部に劣化がないことを確認できれば、修繕用バーナ配管１を燃焼室まで延長する必要はない。例えば、図８に記載の変形例のようにすることもできる。

図１０記載の変形例は、外挿ジョイントである。上記実施形態では、たとえば、設計上の内径６５ｍｍの既設燃料供給ダクトに外径５０ｍｍの挿入管を挿通することを想定しており、挿入作業の容易性の観点から、内挿構造を前提としている（図３参照）。これに対し、既設燃料供給ダクト寸法に余裕があるのであれば、当該変形例のように外挿構造としてもよい。

外挿構造において、ジョイント内周とセラミックス管外周との間に周方向に沿って遊びが形成される。

上記実施形態では、経年劣化した既存コークス炉燃料ダクトの修繕を想定しているが、例えば、新設コークス炉燃料ダクトにバーナ配管１をあらかじめ挿入しておいてもよい。使用開始後経年劣化した時点で、適宜、新しいバーナ配管に取り換える。

１ 修繕用バーナ配管
１０ セラミックス管
２０ セラミックス製ジョイント
２１ ジョイント挿入部
２２ 管端面受部
２５ 遊び
２８ 耐熱パッキン
２９ 耐熱パテ
３０ 金属管
４０ 金属製ジョイント
５０ ベローズ管

Claims (10)

1. コークス炉の燃焼ガス用ダクト内に挿入されるコークス炉バーナ配管であって、
   複数に分割された挿入管と、
   前記挿入管間に設けられるジョイントと、
   を含み、
   前記挿入管と前記ジョイントとの連結部において、周方向に形成される遊びを有する
   ことを特徴とするコークス炉バーナ配管。
2. 前記遊びは挿入管直径の２～１２％である
   ことを特徴とする請求項1記載のコークス炉バーナ配管。
3. 前記挿入管端面と前記ジョイントの管端面受部との間に配置された耐熱パッキンおよび耐熱パテを含む
   ことを特徴とする請求項1記載のコークス炉バーナ配管。
4. 前記ジョイントの挿入部は、前記挿入管内に挿入される
   ことを特徴とする請求項1記載のコークス炉バーナ配管。
5. 複数の挿入管のうち少なくとも最上部の挿入管はセラミックス製である
   ことを特徴とする請求項1記載のコークス炉バーナ配管。
6. 前記最上部のセラミックス製挿入管に接続されるジョイントはセラミックス製である
   ことを特徴とする請求項５記載のコークス炉バーナ配管。
7. 複数の挿入管のうち少なくとも最下部の挿入管は金属製である
   ことを特徴とする請求項1記載のコークス炉バーナ配管。
8. 前記最下部の金属製挿入管に接続されるジョイントは金属製である
   ことを特徴とする請求項７記載のコークス炉バーナ配管。
9. 複数に分割された挿入管と、前記挿入管間に設けられるジョイントとを含み、前記挿入管と前記ジョイントとの連結部において、周方向に形成される遊びを有するコークス炉バーナ配管の設置方法であって、
   最初の挿入管を既設コークス炉の燃焼ガス用ダクト内に挿入し、
   前記挿入管端面とジョイントの管端面受部との間に耐熱パッキンおよび未硬化の耐熱パテを配置しながらジョイントおよび次の挿入管を挿入し、
   前記遊びを介して挿入管の軸方向角度を調整し、
   前記挿入管とジョイントの挿入を繰り返し、連結する
   ことを特徴とするコークス炉バーナ配管の設置方法。
10. 前記未硬化の耐熱パテはコークス炉バーナ配管の設置後に硬化する
    ことを特徴とする請求項９記載のコークス炉バーナ配管の設置方法。