JP3971658B2 - 炭化室カーボンランスの制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コークス炉炭化室の付着カーボンを燃焼除去するために設置されているカーボンランスの制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コークス炉で石炭を乾留するさいには、炭化室内の炉壁面や天井、上昇管内壁面に付着カーボンが生成する。カーボンが付着すると、押し出し抵抗の増大や炉内容積の減少、上昇管基部閉塞、等の問題が発生する。このため、付着したカーボンは極力除去するのが望ましい。
【０００３】
石炭乾留中に炭化室内に付着したカーボンを効率よく除去する方法として、例えば、炭化室内に含酸素ガスを導入して燃焼除去する方法が一般的である。炭化室内に含酸素ガスを導入する方法としては、例えば特開昭６２−１６１８８４号公報に開示されているように、装入口に挿入したランスからブロアーで含酸素ガスを送風する方法（以下、カーボンランス法と記す）や、特開昭６３−３１２３９０号公報に開示されているように、押し出し機のラムヘッド部に設置したノズルから含酸素ガスを噴射する方法が提案されている。
【０００４】
従来行われているカーボンランス法について説明する。図５は、コークス炉の炭化室の天井部に設けられた５個の装入口のうち、４箇所からコークス排出後の炭化室内に含酸素ガスを導入する設備の一例について、その概略を示したものである。コークス排出後に炉蓋８ａ、８ｂを装着し、装入口６から炭化室１２にランス９ａ〜９ｄを挿入し、装入車４に搭載したブロアー１を作動させて含酸素ガスを送風する。この含酸素ガスは接続管２を経由し、分配管３を通って各ランス９ａ〜９ｄを経由して、ランス開口部１１から炭化室１２の内部へ導入される。
【０００５】
カーボンランス法で付着カーボンを燃焼除去する場合、大きく二つの考え方がある。第一の考えは、特開昭６１−２３１０８４号公報で述べられているように、ランス開口部１１（図５）からカーボン付着が著しい箇所に含酸素ガスを集中させて噴射する方法である。これは、酸素ガス濃度が高いときにカーボンの反応率が高いために、より多くのカーボンを除去できる点ですぐれている。
第二の考え方は、特開昭６１−２１１８７号公報に述べられているように、コークス炉炭化室の上面、もしくは側面の一部を外気に開放し、該コークス炉炭化室内に設けた噴射ノズルを介して、炭化室の炉壁面と平行になる方向に高速の空気、もしくは酸素、あるいはこれ等の混合ガスを噴射して、炭化室内を旋回させる方法である。この方法では、カーボン付着部位に含酸素ガスを集中して噴射する場合と同程度の含酸素ガス量が炭化室内に導入されるが、導入された含酸素ガスが炉壁面と接触することで予熱されるので炉壁表面を局所的に冷却してしまうことはない。しかも、カーボンの燃焼反応は、炭素と酸素が結合する反応過程よりも、炭素表面に酸素が供給される過程、あるいは、反応によって生成した化学種が反応表面から脱離する過程が、全体の反応速度を決定していると考えられることから、炭化室内に高速のガス流れを存在させることは、燃焼による付着カーボン除去の効率を向上させることになる。
【０００６】
前述のどちらの考え方に基づいてカーボンランス法を適用しても、付着カーボンの量や付着箇所、除去実績に相応して含酸素ガスの導入量や導入時間、各装入口へのランスの配置方法、あるいは、各ランスにおいては、炭化室内部への挿入深さやランス開口部の位置、開口部面積等を適宜変更する。そして、ランス条件の変更は、試行錯誤的に得られた知見（以降、経験則と記載）や、流体解析モデルを適用したシミュレーション検討に基づいて行われるのが一般的である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、付着カーボンは炉壁面のいつも同じ部位に生成するわけではなく、操業条件や炉壁面の損傷状態によって変化する。したがって、ある時点のカーボン付着状況に合わせてランス条件を最適に調整しても、その条件がそれ以降の時点においても常に最適とはならないのが現状である。そのため、ある時点のカーボン付着状況と除去状況に応じた最適ランス設定条件を早期に見出し、ランスの設定条件の調整を行う必要があるが、従来の経験則では再現性に欠ける場合等の理由により十分に見出せていないのが現状である。
【０００８】
また、流体解析モデルによる検討では炭化室内に導入された含酸素ガスの流動状態を把握できる点で有効であるが、定常状態を前提としているために実際の炭化室内の流れが非定常状態である場合には、実際の現象を正しくシミュレートしていない可能性がある。一方で、高精度の計算を志向すると、計算に必要なメッシュの分割数が数万個にもなり、計算機の演算能力にもよるが、計算結果を得るために要する時間が数日に及ぶ場合もあり、経験則を適用してランスの設定条件を決定するのと同程度、あるいはそれ以上の時間を必要とする。
【０００９】
本発明の目的は、以上のような問題点を解決し、最適なカーボンランスの設置条件を、簡便で確実に、しかも、短時間に見出すことができる炭化室カーボンランスの制御方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の炭化室カーボンランスの制御方法は以下の通りである。
（１）コークス炉の炭化室内に挿入したランスの開口部から含酸素ガスを導入して、炭化室内に付着したカーボンを燃焼除去するための炭化室カーボンランスの制御方法において、ガス流れ挙動を可視化できる機能を有する炭化室の模型装置を用いて、該模型装置のカーボンランスを挿入する装入口、カーボンランスの挿入深さ、カーボンランス開口部の形状、カーボンランス開口部の位置、カーボンランス開口部の数、カーボンランス開口部からの含酸素ガスの送風量の少なくとも１ 条件を調整して得られる、可視化したガス流れ挙動の情報に基づき、コークス炉における上記各条件を設定することを特徴とする炭化室カーボンランスの制御方法。
（２）炭化室内のガス流れ挙動を可視化する方法として、トレーサー法を用いることを特徴とする（１）に記載の炭化室カーボンランスの制御方法。
（３）可視化したガス流れを速度ベクトル化した情報を用いることを特徴とする（１）または（２）に記載の炭化室カーボンランスの制御方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、実コークス炉の炭化室形状を相似的に縮小した模型装置を用いて、該模型装置内に吹き込みガスを導入する際に流れを可視化し、その結果を実コークス炉のカーボンランスの設置条件に反映させることでカーボンランスの最適化が迅速化、且つ、簡便化できることを見い出し、この知見に基づき本発明を完成するに至ったものである。
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について詳しく説明する。
図１に、本発明に用いた実コークス炉の炭化室を１／１０に縮尺した模型装置の概略を示す。ここで、炭化室の模型装置とは、実際のコークス炉の炭化室を相似的（縦、横、高さの比を変えない）に縮尺したものが好ましいが、所望の結果が得られる範囲であれば、少なくとも縦、横、高さの比が異なるものを用いても良い。縮尺の程度（以下、縮尺率）は特に規定するものではないが、通常の実コークス炉の大きさを前提にすると、縮尺率が小さい場合（例えば、９／１０）には模型装置が大型となり、設置場所の確保に問題がある他、製作費や使用ガス量が多大となり、操作性も低下するといった問題が生じる。逆に、縮尺率が大きい場合（例えば、１／１００）には、模型装置は小さくなり前述した問題は解決するが、模型装置の僅かな製作誤差が実コークス炉に換算すると大きな誤差となり、両者間のガス流線に大きな差をもたらす可能性がある。これらの理由のため、縮尺率は、１／５〜１／２０、より望ましくは、１／８〜１／１２である。また、模型装置と実コークス炉間の相似法則を予め検討しておくことは云うまでもない。
【００１３】
図１において、吹き込みガス１３を、分配管３を通して実コークス炉のカーボンランスに見立てた吹き込み管１６ａ〜１６ｅに導入する。各吹き込み管１６ａ〜１６ｅへの吹き込みガスの導入量は、流量調整バルブ１４によって制御され、流量計１５により把握する。吹き込み管１６ａ〜１６ｅに分配された吹き込みガスは、開口部２１から模型装置２２の内部へと噴射され、前面パネル２３、背面パネル２４、天板２５、底板２６、側板２７ａ，２７ｂで構成された空間内を流動したのち、ガス排出口１７から系外へと排出される。
【００１４】
ここで、模型装置内に吹き込まれたガスがどのように流れているかを把握するために、流れの可視化（視覚化）を行う。ガスの流れを可視化するには、各種の流体を用いたトレーサー法やタフト法など多くの手法があるが、他のどのような手法を適用しても良い。この様にして得られたガスの流れの情報は、模型装置と実コークス炉が相似法則を満たしていれば、模型装置内部へ導入されたガスの流れ挙動は実コークス炉の流れ挙動に対応している。従って、予め実コークス炉の炭化室内におけるカーボン付着状況を把握しておき、カーボン付着量の多い箇所にガスが的確に流れる様にするために、模型装置で初期設定されているカーボンランスの条件が妥当であるか否かを判断する。
【００１５】
なお、カーボンの付着状況を把握する手段としては、以下の方法がある。すなわち、含酸素ガスを炭化室内に導入すると、酸素と付着カーボンの反応（燃焼反応）により二酸化炭素が生成する。したがって、上昇管５（図５）において燃焼排ガスを採取し、少なくとも二酸化炭素の濃度、酸素の濃度を測定すれば、炭化室内に付着カーボンが残存するか否かについての情報が得られる。また、炭化室内のどの部位に付着カーボンが残存しているかを判定する手段としては、例えば、目視で観察する方法や、特開平３−１６２４９０号公報で述べられているように、押し出し機の往復動における負荷電流の差を利用する方法が挙げられる。
【００１６】
この様にして可視化されたガスの流れの情報に基いて、模型装置で初期設定されているカーボンランスの条件が妥当であると判断した場合は、模型装置で初期設定した各吹き込み管１６（図１）の少なくともカーボンランスを挿入する装入口、挿入深さ、開口部の形状、開口部の位置、開口部の数、各吹き込み管からの導入ガス送風量の条件を、相似法則に則って実コークス炉におけるカーボンランスに適用することで、適正に設定することができる。ここで、実コークス炉に適正に条件を設定するというのは、模型装置で得られた情報と必ずしも完全に一致している必要はなく、実コークス炉の操業状況に応じて適宜設定できるという意味である。ここで開口部の形状とは、開口部の形と大きさをいう。開口部の形によって流れの状態が変わり、また、大きさにより吐出量を変えられる。もし、妥当ではないと判断した場合は、模型装置の吹き込み条件を適宜変更して、再び上述の操作を繰り返して実施する。ここで、模型装置の結果を実コークス炉に対応させるために検討すべきカーボンランスの設定条件としては、ランスを挿入する装入口、炭化室内へ挿入する深さ、吹き込む含酸素ガス流量、ランス開口部の設置位置、開口部の形状（形と大きさ）、開口部の数である。
さらに、模型装置を用いた条件水準数が少ない場合等でも、適正な条件を類推することで、実炉のランス条件を設定しても良い。
【００１７】
この様に本発明によれば、コークス炉の模型装置を用いて、ガス流れの挙動を可視化して把握するため、非定常状態（例えば数秒の間隔で周期的にガス流れの経路が変化する場合等）の流れの場合でも、その挙動が正確に、かつ短時間に把握することを可能とするものである。従って、実コークス炉におけるカーボンランスの条件を適正に設定することができ、炭化室内の付着カーボンを効率良く除去することができる。
【００１８】
また、本発明ではガス流れ挙動を可視化する方法として、トレーサー法が簡便性かつ精度の点で好ましい。特に良く用いられる煙トレーサー法について図１を基に説明する。図１において、煙発生装置２０でトレーサーとなる煙を発生させる。発生したトレーサーは導管１８を通して、吹き込み管１６ａ〜１６ｅの各側面に設けられたトレーサー導入口１９ａ〜１９ｅより吹き込みガス１３中へ注入され、吹き込みガス１３をキャリヤーとして模型装置２２の内部へ導入される。ここで、前面パネル２３にアクリル板などの透明な材料を用いれば、吹き込みガスの挙動をトレーサーの動きとして観察することができる。
【００１９】
さらに、より精度の高い解析をするために、可視化されたガス流れを一旦、ＶＴＲ等に記録し、さらに記録された映像を画像処理してベクトル化し、模型装置内を流れるガスの流れる方向と速度を求めることが好ましい。図２に可視化した画像を基に、市販の画像解析ソフトを用いて流線ベクトルを求めた結果の一例を示す。図２において、２８は解析に必要なグリット線、２９は流速のレベルを示す速度凡例、３０は速度ベクトルである。ガス流れ挙動をベクトル表示することにより、流速からは燃焼反応が効率的に進行する流速域に到達しているかを的確に評価することができる。
なお、模型装置内の可視化映像を記録する媒体としては、ＶＴＲや写真フィルム等、あとで再生や画像の加工処理ができる形式であればどのような方式でも適用することができる。
【００２０】
【実施例】
本発明を炉長約１４ｍ、炉高約５ｍ、平均炉幅約０．４５ｍの平均的なコークス炉に対して適用した例について説明する。前述の標準的な実コークス炉において、押出し機側（上昇管側）とガイド車側（反押出し機側）の両炉端部に著しく付着カーボンが存在する場合に対して、１／１０に縮尺した模型装置を用いてガス流れを煙トレーサー法で可視化し、カーボンランス法で付着カーボンを燃焼除去するのに最も適した吹き込み条件を繰り返し検討した。検討した条件は模型装置における吹き出し管（実炉ではカーボンランス）開口部の個数、開口箇所、吹き出し方向、吹き込み管への供給ガス流量（相対流量）である。ここで、相対流量というのは、各吹き込み管へ供給するガス量が最も少ない量を１．０とした場合に、その他の管の流量を相対的に示したものである。本発明の場合と、経験則に基づいた場合と、吹き込んだガスの合計量は同じ量とし、またガス種は空気を用いた。
【００２１】
その結果、本発明によって最適と見出された設定条件が表１に示す条件であることが判明した。また、比較のために、過去の経験則に基づいて最適とされていた設定条件についても、同様に模型を用いてガス流れを煙トレーサー法で可視化した。ここで、表１に示した開口箇所とは、炭化室内に吹き込みガスを導入する開口部が図３に示すような吹き込み管（１６）の側面（２１ａ）にあるか底面（２１ｂ）にあるかを示すものであり、開口部の個数とは吹き込み管毎の開口部の合計数である。また、吹き出し方向とは、吹き込み管開口部から炭化室内へのガス吹き出し方向を示すものである。
【００２２】
模型によるガス流れを検討した結果、従来の経験側に基づいて最適とされた設定条件では、炭化室内に吹き込まれたガスはカーボン付着量が比較的少ない炉長方向の中央部に集中しており、カーボン付着量の多い両炉端部への供給量が少ないことが判明した。これに対して、本方法により最適と見出された設定条件では、前述の中央部に供給されるガス量が少なくなり、その分カーボン付着量の多い両炉端部への供給量が増加していることが判明した。すなわち、従来の経験側で最適と考えていた条件は、カーボン付着量の多い両炉端部へのガスの供給量は少なく、むしろあまり良好ではない条件であることがわかった。それに対し本方法によると、カーボン付着量の多い両炉端部へ確実にガスを供給できる条件であることがわかる。
【００２３】
次に、実コークス炉において、模型装置による検討で得られた最適な設定条件が効果を発揮しているか否かを確認するために、本発明により得られたカーボンランス条件でカーボン除去を行った場合と、従来の経験則に基いたカーボンランス条件でカーボン除去を行った場合について、それぞれの条件でカーボン除去を行った後に、実コークス炉においてコークスを押出した結果を比較した。実コークス炉における押出し性については、押出し機モーターの負荷電流値の最大値（Ａmax）で比較できるため、その結果を図４に示す。図４において横軸は炭化室の番号を示す。また、縦軸はＡmaxを示しており、この値が小さい程コークスの押し出しが良好に行われたことを意味する。図４に示すように、本発明により最適と見出された条件にカーボンランスを設定した方が、経験則に基づいた場合よりもＡmaxが低下しており、しかも変動幅が小さくなっている。これは、コークス押し出し時の抵抗が減少したためであり、前述した両炉端部の付着カーボンが効率的に除去されていることを示している。
【００２４】
【表１】

【００２５】
【発明の効果】
本発明により、カーボンランスからの炭化室内への含酸素ガスの吹き込み方法を最適化することにより、炭化室内の付着カーボンを効率よく除去することができ、高稼働率で炉温が高い場合においても、コークスの押し詰りや、押し止まりといった操業上のトラブルを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において使用する模型装置の一例について概略を示す図である。
【図２】本発明の実施例において、模型装置にトレーサー煙を導入したときの画像を解析し、吹き込みガスの速度ベクトルを求めた図である。
【図３】吹き込み管における側面と底面の開口部を示す図である。
【図４】コークス押し出し時の負荷電流値を比較した図である。
【図５】コークス炉炭化室内に含酸素ガスを導入する設備の代表的な一例を示す図である。
【符号の説明】
１・・・ブロアー、 ２・・・接続管、
３・・・分配管、 ４・・・装入車、
５・・・上昇管、 ６・・・装入口、
７・・・炉頂煉瓦、 ８ａ、８ｂ・・・炉蓋、
９ａ〜９ｄ・・・吹き込みランス、 １０・・・ガス流れ、
１１・・・ランス開口部、 １２・・・炭化室、
１３・・・吹き込みガス、 １４・・・流量調整バルブ、
１５・・・流量計、
１６ａ〜１６ｅ・・・吹き込み管（ランス）、
１７・・・ガス排出口、 １８・・・導管、
１９ａ〜１９ｅ・・・トレーサー導入口、
２０・・・トレーサー発生装置、
２１・・・吹き込み管開口部、
２１ａ・・・吹き込み管側面開口部、 ２１ｂ・・・吹き込み管底面開口部、
２２・・・模型装置、
２３・・・前面パネル、 ２４・・・背面パネル、
２５・・・天板、 ２６・・・底板、
２７ａ、２７ｂ・・・側板、 ２８・・・トレーサー、
２９・・・グリット線、 ３０・・・速度凡例、
３１・・・速度ベクトル

Claims (3)

1. コークス炉の炭化室内に挿入したランスの開口部から含酸素ガスを導入して、炭化室内に付着したカーボンを燃焼除去するための炭化室カーボンランスの制御方法において、ガス流れ挙動を可視化できる機能を有する炭化室の模型装置を用いて、該模型装置のカーボンランスを挿入する装入口、カーボンランスの挿入深さ、カーボンランス開口部の形状、カーボンランス開口部の位置、カーボンランス開口部の数、カーボンランス開口部からの含酸素ガスの送風量の少なくとも１条件を調整して得られる、可視化したガス流れ挙動の情報に基づき、コークス炉における上記各条件を設定することを特徴とする炭化室カーボンランスの制御方法。
2. 炭化室内のガス流れ挙動を可視化する方法として、トレーサー法を用いることを特徴とする請求項１に記載の炭化室カーボンランスの制御方法。
3. 可視化したガス流れを速度ベクトル化した情報を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化室カーボンランスの制御方法。

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