JP4385799B2 - コークス炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、水平室炉式コークス炉において石炭類を乾留してコークスを製造するに際し、炭化室からのコークスの排出を容易ならしめるための操業方法に関する。

水平室炉式コークス炉において、石炭類を乾留してコークスを製造する際、まず、特定の性状を有する幾種かの石炭類を粒度調整し、場合によっては少なくとも一部を乾燥しあるいは成型した後、コークス炉の炭化室（例えば、幅約0.3〜0.6ｍ、高さ約４〜８ｍ、長さ約10〜20ｍの密閉された部屋）に装入している。コークス炉は、前記炭化室と、燃焼室（例えば、幅約0.5〜１ｍ、高さおよび長さが炭化室と同じれんが構造体）とを交互に10〜50組程度を並列に設置してなり、前記燃焼室にはガスを燃焼させることができるバーナーなどが設置された構成となっていている。前記炭化室に装入された石炭は、燃焼室からの熱で加熱乾留され、約15〜24時間程度の乾留により、約1000℃の赤熱コークスとなる。その後、この赤熱コークスは炭化室の炉長方向（コークス押出し方向）の両端に設置された各炉蓋を取り外して、赤熱コークスを片側（マシンサイド）に設置された押出し機を使って反対側（コークス排出側）に押出し、次いでＣＤＱに導いてあるいは散水により冷却し、製品コークスとしている。

上記のコークス製造工程において、炭化室から赤熱コークスを押出す際に、押出し抵抗が過大となりコークスが炭化室から排出できなくなる、いわゆる押詰まりと呼ばれる現象が生じることが知られている。この押詰まり現象は、コークス炉操業の遅延を招くだけでなく、押詰まり発生時には炉壁損傷の危険性が増すことから、この押詰まりを防止することは、コークス炉の操業上、重要な課題である。

発明者らの調査によると、上記押詰まり現象には、大きくわけて２つの原因があることがわかった。第一の原因は、炭化室内のコークスと炉壁との摩擦が過大になる場合であり、第二の原因は、コークス押出し操作によって力を受けたコークスケーキ（炭化室内の塊状コークスの集合体）が上方向に膨らんで、コークスの一部が炭化室の天井と接触して摩擦が過大になるか、石炭装入口などの天井の凹部に支えてしまう場合であり、このようなトラブルを通称、「突上げ詰まり」と呼んでいる。

上述した２つの押詰まり現象は、単なる現象上の差というだけに止まらず、コークス炉の操業に対する影響という面にも差が生じ、すなわち、第一の押詰まり現象に対しては、コークスケーキが全く移動を開始しない場合が多く、この場合、押出し作業を一旦中止して、炭化室両端の炉蓋を閉じて加熱を継続することによってコークスの熱収縮を促し、コークスと炉壁の間の隙間を増大させることで、押出し時の摩擦を軽減するという手段を採用して対処することが多い。なお、軽度の押詰まりの場合には、押出し操作を一旦停止して、単に押出し操作を繰返すだけでコークスを排出できることもある。

これに対し、上記第二の押詰まり現象については、コークスケーキが一旦移動を開始した後、天井と接触することが多いため、コークスの一部が既に炭化室の出口側に到達していることが多く、そのままでは炉蓋を閉止することもできず、また、仮に再加熱を実施したところで、既にコークスケーキが崩れて塊が積みあがった状態になっている。そのため、この第２の押詰まり現象の場合は、コークスの収縮によって炉壁や天井との間に隙間を生じさせることはほとんど期待できないことが多い。そこで、このようなトラブルに対する処置としては、赤熱コークスを人力等によって炭化室から掻きだす作業が必要となるため、操業停滞の時間も長く、作業環境面からも好ましくない対応を取らざるを得ないこととなる。
このような操業の下で、現在、前記第一の押詰まり現象に比べてこの「突上げ詰まり」を防止するための技術の確立が強く望まれる状況にある。

上記押詰まりを防止するための従来技術としては、第一、第二の現象を特に区別せず、単に押詰まりを減少させようとする技術がある。この技術は、炭化室への石炭の装入量を通常の量よりも少なくするという方法であり、広く実施されている。この方法では、コークスと炉壁の接触面積を低下させることで、コークスと炉壁との間における摩擦抵抗を減らすことができ、また、コークス上面と炭化室天井の距離を大きくとることで、押出し時にコークスケーキが上方に膨らんだ場合においても天井との接触の可能性を低減させることができる。しかしながら、この方法では、装入量を低下させた分、コークスの生産量が減ってしまうこと、炭化室の上部に石炭を装入しない空間を作るためその部分の温度が通常よりも上昇してしまいコークス押出し抵抗の原因となる炉壁カーボンの成長を促進してしまうこと、また、石炭を装入しない空間部で石炭から発生したタールが過度の熱分解を受けてタール品質が低下するという問題などがある。

このような問題に対し、従来、コークスと炉壁の摩擦による押出し抵抗の増大を防止し、押出しトラブル（第一の現象）を低減させるための技術として、例えば、水平方向焼き減り率を制御する技術が公知である（特許文献１参照）。また、炭化室内に性状の異なる石炭を装入する技術も公知である（特許文献２参照）。

これに対し、前記突上げ詰まりを防止する（第二の現象）ための技術は、現在のところほとんど知られていない。僅かに、非特許文献１において、突上げ詰り発生のメカニズムを検討した内容が発表されており、コークスと炉壁との間において摩擦抵抗が大きいことが突上げ詰まりの原因と指摘したに止まるものである。つまり、この考え方に従えば、突上げ詰まり低減のための技術もまた、コークスと炉壁との間における摩擦抵抗を軽減する技術と同じということになる。
特開平１１−５９８３号公報 特開平０９−２４９８８２号公報 「材料とプロセス」誌第１２巻（１９９９年）７５９頁

しかしながら、実際のコークス炉においては、コークスと炉壁との間の摩擦抵抗が上昇している窯（炭化室）であっても、突上げ詰りの発生頻度は様々であり、その対策として取られているコークスと炉壁との間の摩擦抵抗軽減対策の効果も様々である。これは、炭化室内各部位における摩擦抵抗の程度が一様ではなく、そのためコークスケーキ自体の変形挙動が異なることや、石炭の種類に応じて、コークスが押出される際の（上方向への）膨らみやすさに差があることが原因と考えられる。

そこで、本発明の目的は、コークス炉炭化室からの赤熱コークス押出し時における突上げ詰りの防止に有効な技術の提案をすることにあり、それは公知の方法である炉壁における摩擦抵抗の制御とは異なる手段の採用により達成されるものである。

本発明は、上掲の目的を実現すべく、押詰りの発生機構を詳細に検討した結果、とくに突上げ詰まりの防止に有効なコークス炉の操業方法として開発したものである。即ち、本発明の考え方の基本とするところは、炭化室内のコークス高さについて、それをコークス押出し方向に沿って分布（差）をつけて押出し抵抗を和らげることにあり、とくに押出し機近傍のコークス高さをそれ以外の部位のコークス高さに比べて低くすることで、突上げ詰りの発生頻度を低下させようというものである。

本発明におけるこのような考え方は、コークス押出し時に、コークスケーキが上方に膨らんでも炭化室天井との接触が起こらないようにするという点では、炭化室全体（コークス押出し方向の全域）におけるコークス高さを一律に低下させるという従来公知の技術と似ているが、コークス押出し方向によってコークス高さに差をつけるという点で決定的な差がある。とくに、コークス押出し方向で差をつける場合でも、本発明の場合、押出し機近傍のコークス高さのみを減ずることがとりわけ重要であって、それ以外の部位のコークス高さは突上げ詰り発生に対して影響が小さいことを考慮して、生産性等を考慮してコークス高さの縮小はしない点にも特徴がある。

なお、従来の知見では、押出し機側のコークス高さを、その他の部分に比べて低くすることについて、コークスケーキと押出しラム（押出し機に設置され、実際にコークスに力を作用させる部品）との接触面積が減少するため、同じ押出し荷重でも、コークスケーキに対する圧力の増大をもたらし、その結果、コークスケーキの崩れを助長し、押出し性を悪化させると考えられていたのである。
この点に関し、発明者らは実験ならびに実炉によって、押出し時のコークスケーキ変形挙動について詳細な調査を行なった。その結果、従来の予想に反して押出し機側のコークス高さを下げることによる押出し性の悪化はほとんどなく、むしろ突上げ詰りの回避に有効に作用するという知見を得るに到ったのである。

本発明は、このような知見に基づいて開発されたものであって、性状の同じ石炭を、室炉式コークス炉の炭化室頂部に設けた複数個の装入口から該炭化室内に同じ充填状況の下に装入し乾留することにより、コークスを製造するにあたり、前記炭化室頂部のコークス押出し方向に沿って設けられた複数個の装入口から、該炭化室内に装入された石炭の装入高さを、コークス押出し方向の位置に応じて調節することにより、コークス押出し方向における炭化室内コークス高さを、コークス押出し方向に沿って、押出し機側では低く、コークス排出側では高くなるように、かつ前記炭化室内の押出し機側の端部からコークス排出側に最も近い装入口までの間におけるコークス平均高さが、コークス排出側に最も近い装入口からコークス排出側の端部までの間におけるコークス平均高さよりも低くなるようにすることを特徴とするコークス炉の操業方法を提案する。

本発明においては、また、炭化室内における平均コークス高さを低くする範囲を、炭化室の押出し機側の端部から少なくともコークス押出し機側に最も近い装入口までの間とすること、そして平均コークス高さを低くした部分のコークス高さと、それ以外の部分におけるコークス高さとの差を20 cm以上、および／または、平均コークス高さの低い部分の中で最小のコークス高さと、それ以外の部分におけるコークス高さとの差を50 cm以上とすることも有効である。

また、本発明において、上掲のコークス高さを調節するための手段として、炭化室頂部のコークス押出し方向に沿って設けられた複数個の装入口から、該炭化室内に装入された石炭の装入高さを、該炭化室のコークス押出し方向の位置に応じて調節することにより、コークス押出し方向における炭化室内コークス高さを調節するようにしたことにより、炭化室内に生成させるコークス高さを押出し方向の位置に合わせて調節することが有効である。

本発明によれば、コークス炉操業上の課題である突上げ詰りを効果的に防止することができ、しかもこの効果を、従来の方法に比べ生産量が低減するなどの不利益を招くことなく実現することができる。その結果、押出し時のトラブルによる減産などの機会損失の抑制、押出し時に発生する炉壁荷重の低減による炉壁損傷の防止、およびその結果として補修費の低減、炉寿命の延長などの効果も達成できる。

本発明に係るコークス炉の操業においては、乾留後に炭化室内に生成させるコークスケーキ（赤熱コークス）の高さを、炭化室の押出し方向（炉長方向）の位置によって変化させることが重要であるが、そのためには、以下のような手段を講じることが好ましい。

コークス炉の炭化室は、通常、炉長方向に４〜５個の装入口を形成するのが普通である。それぞれの装入口から装入された石炭は、ある程度は炭化室内で混ざり合うが、炭化室内の装入口直下付近では、その装入口から装入された時の状態を反映した充填状態になることが知られている。このことを利用して、それぞれの装入口から装人する石炭の量を調節することで、炭化室内における石炭の装入高さを炉長方向で分布をもたせることが可能である。石炭は一般に、乾留によりコークスに変化する際に収縮するが、石炭の性状および充填状況が同一であれば収縮率も同一となり、生成するコークスケーキの高さは、装入高さにほぼ比例したものとなる。従って、石炭の装入高さを調節することにより、コークスケーキ高さを調節することが可能になることがわかる。

本発明においては、炉長方向における押出し機に近い部位のコークスケーキ高さを、炉長方向の他の部位よりも低くすることにしているため、具体的には、押出し機に近い位置の装入口からの石炭の装入高さ、即ち装入量を、炭化室に均一に装入する場合の装入量よりも低くすることで、その部位のコークス高さを低くすることができる。同様に、各装入ロにおける石炭の装入速度を変更したり、装入開始、終了のタイミングをずらしたりすることで装入石炭高さを炉長方向で所望の分布が生じるように調節するのである。

上述した石炭装入高さによるコークス高さの調節方法は、炭化室内に装入する石炭の性状が均一なものを使うことを前提にしたものである。

このようにして、コークス炉の炭化室内の押出し機近傍のコークスケーキ高さを低く抑えた場合の効果について、発明者らは、まず小型実験装置によりその傾向を把握し、ついで、実コークス炉の操業試験によってその効果を確認する、という方法で確認した。

小型実験装置は、コークス炉炭化室を模擬したアクリル製の容器に押出し機を設けたものからなり、充填したコークスを押出す際の押出し荷重およびコークス層の上方への膨らみ量が計測できるようになっている。この装置を用いて、長さ50 cm、高さ（コークス出口側）20 cmのコークス層を押出す試験を行なった。なお、この実験装置では、コークスの出口側端から10 cmの位置の炉壁に突起物を設け、押出し抵抗が高くなった状態の炭化室を模擬した。

上記装置による確認試験では、コークス層の押出し機側１／２部分のコークス高さを出口側の１／２部分の高さよりも減じたコークス層を押出す試験を行ない、押出しラムがコークス層の炉長方向中間点まで進行した時点における、コークス層の上方への膨らみ量（コークス層の最大高さ−コークス層排出側初期高さ）と、押出す前におけるコークス層高さの差（コークス層排出側初期高さ−コークス層押出し機側初期高さ）の関係を求めた。
その結果を図１に示すが、この図から明らかなよう、押出し機側のコークス層高さを小さくすることで、コークス層の上方への膨らみが軽減できることがわかった。

この結果を参考に、実コークス炉において、本発明の技術が、突上げ詰まりの低減にどの程度の効果を示すかについて調査した。なお、実コークス炉での調査において、炭化室内のコークスケーキの高さを確認するため、装入口の下部付近においては、装入口を開放してレーザー距離計をセットすると同時に棒を装入した深さ測定によってコークスケーキ高さを計測し、押出し機付近においては、押出し機側の炉蓋を開放してレーザー距離計を用いてコークスケーキの形状を測定した。その結果を、以下に実施例として説明する。

この実施例は、あるコークス工場において一定の配合炭を用い、一定の操業条件で操業を行なっている期間において、押出し抵抗の比較的大きい窯を100門選び、各炭化室に４個設置されている装入口のうち最も押出し機に近い位置の装入口における石炭の装炭量を減少させることにより、炭化室内の押出し機側の端から押出し機側に最も近い装入口の間の範囲におけるコークスの平均高さを減少させた例である。この時、装炭量を変化させた装入口以外の部分については、通常通りの装炭を行ない、装炭後に石炭の上面を均すレベラーを使用した。それぞれの試験水準について、選択した窯に各２回ずつ装炭、窯出しを行なった時における突上げ詰りの発生頻度と、炭化室内の押出し機側（マシンサイド）の端から押出し機側に最も近い装入口の間の範囲におけるコークスの平均高さと、それ以外の部位におけるコークス平均高さの差の関係を図２に示した。図２には、比較例としてすべての装入口について通常通りの装炭を行なった場合（高さの差＝０）のデータも合わせて示す。図中のカツコ内に示した数字は、コークス高さを低下させた範囲における最も低い部分の高さとそれ以外の範囲におけるコークス平均高さとの差（cm）を示す。

なお、上記試験の際に、石炭装入後レベラーを使用した直後における各装入口直下での石炭レベルも測定した。その結果、装入量を減少させた装入口直下での石炭装入高さは、それ以外の装入口直下での石炭装入高さよりも10〜40 cmの範囲で低くなっていることを確認した。
図２に示す結果から明らかなように、炭化室の押出し機近傍のコークス高さを減少させることにより、突上げ詰りの発生頻度が低下することが明らかとなった。

実施例１と同様の配合炭、操業条件において、４個の装入口のうち、押出し機に近い方から３個の装入口における石炭装入量を減少させ、炭化室内の押出し機側の端から押出し機側より最も遠い装入口の間の範囲におけるコークスの平均高さを減少させた。この時、平均高さを減少させた範囲におけるコークス高さは、それ以外の範囲よりも26 cm低下しており、この操業を行なった際の突上げ詰り発生頻度は1.5％と、通常操業に比較して低いレベルであった。

本発明は、室炉式コークス炉で冶金用コークス、とくに高炉用コークスを製造する技術に適用できる。

実験装置を用いて測定したコークス層高さの低減量と押出し時のコークスの上方への膨らみ量の関係を示すグラフである。 本発明の方法による突上げ詰り発生率の低減効果を示すグラフである。

Claims (3)

1. 性状の同じ石炭を、室炉式コークス炉の炭化室頂部に設けた複数個の装入口から該炭化室内に同じ充填状況の下に装入し乾留することにより、コークスを製造するにあたり、前記炭化室頂部のコークス押出し方向に沿って設けられた複数個の装入口から、該炭化室内に装入された石炭の装入高さを、コークス押出し方向の位置に応じて調節することにより、コークス押出し方向における炭化室内コークス高さを、コークス押出し方向に沿って、押出し機側では低く、コークス排出側では高くなるように、かつ前記炭化室内の押出し機側の端部からコークス排出側に最も近い装入口までの間におけるコークス平均高さが、コークス排出側に最も近い装入口からコークス排出側の端部までの間におけるコークス平均高さよりも低くなるようにすることを特徴とするコークス炉の操業方法。
2. 炭化室内における平均コークス高さを低くする範囲を、炭化室の押出し機側の端部から少なくともコークス押出し機側に最も近い装入口までの間としたことを特徴とする請求項１に記載のコークス炉の操業方法。
3. 平均コークス高さを低くした部分のコークス高さと、それ以外の部分におけるコークス高さとの差を20cm以上、および／または、平均コークス高さの低い部分の中で最小のコークス高さと、それ以外の部分におけるコークス高さとの差を50cm以上としたことを特徴とする請求項１または２に記載のコ−クス炉の操業方法。

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