JP5432586B2 - コークス炉炭化室炉壁状態評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、コークス炉炭化室の炉壁状態を評価するコークス炉炭化室炉壁状態評価方法に関するものである。

一般にコークス炉は、下部に蓄熱室があり、その上部に炭化室（以下、窯ということもある）と燃焼室とが交互に多数配列された構造をしている。蓄熱室は、燃料ガスおよび空気を予熱し、燃焼室に供給することができる。燃焼室は、供給された燃料ガスおよび空気を燃焼させ、その両側に隣接する炭化室に炉壁を通して間接的に伝熱し、炭化室内の石炭を乾留してコークス化することができる。

乾留後のコークスは、押出機により押し出されて炭化室から排出される。しかし、押出機による押出作業時において、種々の原因により押出トラブルが発生する。特に重要な原因として、コークス炉炭化室の炉壁に付着したカーボンが押出時に生じさせる抵抗があり、この押出抵抗は、押出ラムの停止という押出トラブルを引き起こす。

そのため、押出トラブルを低減または解消するためには、炉壁に付着したカーボンを除去しなければならない。現在、炉壁に付着したカーボンを除去する方法として、空窯がある。空窯とは、炭化室への装入口を開放し、この装入口から空気を流入させながら、石炭を装入せずに炭化室を数時間または数サイクルの間放置する操作のことである。ここで、サイクルとは、石炭の装入からコークスの押出までの一連の操作を意味する。空窯を実施することで、炭化室の炉壁に付着したカーボンを焼き落とし、除去することができる。

一方で空窯を行うと、空気の流入による冷却に起因して炭化室炉壁（煉瓦）を傷めることになる。空窯を繰り返し実施すると、炭化室炉壁が損傷し、押出抵抗が大きくなり、上記の付着カーボンと同様に押出トラブルの原因となる。そのため、空窯の実施などにより発生した損傷が大きい場合には、溶射による炉壁の補修が施される。

これらの空窯実施後または補修後の炭化室の炉壁状態を評価する方法としては、例えば、作業者の目視による評価が行われている。しかし、炉長１５ｍ以上、炉高６ｍ以上もある炉壁内を目視することは、作業効率が悪いだけではなく、定性的な評価しかできない。

そのため、下記特許文献１には、非接触式距離計等を用いて炭化室プロフィールを求め、それを基に炉壁の状況を指標化する方法が開示されている。また、下記引用文献２には、炭化室の任意の高さにおける長さ方向複数位置の炉壁間距離を測定し、得られる実測炉壁間距離変位線に基づいて、実測炉壁間距離の平準化変位線を求めて、実測炉壁間距離変位線と平準化変位線を比較することにより、炭化室の炉壁状態を診断する方法が開示されている。また、下記特許文献３では、壁面観察装置で得られた画像信号を用いて炉壁３次元プロフィールデータを生成し、この炉壁３次元プロフィールデータを用いて、押し出されるコークスが受ける抵抗を指標化した抵抗指数を求めている。

特開２００１−２９４８６７号公報 特開２００３−１８３６６１号公報 特開２００８−２０１９９３号公報

しかしながら、引用文献１〜３に開示された方法は、炭化室の炉壁を直接計測又は観察するものであり、炉壁全体の凹凸状態を評価するのに時間がかかってしまう。また、引用文献１〜３の方法は、炉壁の損傷といった炉壁状態を示すものではあるが、炉壁状態に起因する押出抵抗を直接的に示すものではないため、押出抵抗による押出トラブルを適切に判断することができない。上記のように、炉壁の損傷によっては押出トラブルを生じさせる場合があり、押出性への影響を低減させるために損傷などの炉壁状態は評価され、必要に応じて炉壁の補修等の処置が行われる。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、押出トラブルの原因となる押出抵抗を適切に把握し、空窯実施後の炉壁状態を容易に評価することができるコークス炉炭化室炉壁状態評価方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明のコークス炉炭化室炉壁状態評価方法は、
コークス炉炭化室の炉壁状態を評価するコークス炉炭化室炉壁状態評価方法であって、
炭化室の空窯実施後の押出回数ｎに対する押出電力値Ｐ_ｎを測定するステップと、
押出回数ｎの増加とともに押出電力値Ｐ_ｎが低下する低下区間と、この低下区間後に押出回数ｎの増加とともに押出電力値Ｐ_ｎが上昇する上昇区間とに区分するステップと、
前記低下区間における押出回数ｎと押出電力値Ｐ_ｎとの値を用いて、以下の近似式（１）の炉壁状態値Ａ_Ｄおよび押出電力低下指数ｋ_ｎを求めるステップと、
求めた炉壁状態値Ａ_Ｄを用いて炉壁状態を評価するステップと、を含むことを特徴とするものである。
Ｐ_ｎ＝Ａ_Ｄ×ＥＸＰ（−ｋ_ｎ×ｎ） （１）

かかる構成によるコークス炉炭化室炉壁状態評価方法の作用・効果を説明する。空窯実施後の押出回数ｎに対する押出電力値Ｐ_ｎは、通常、図３のグラフのような推移を示す。ここで、押出電力値Ｐ_ｎは、乾留後のコークスを炭化室から押し出す際に必要な電力値であり、コークス押出時の押出抵抗を示すと言える。空窯実施直後は、炉壁に付着していたカーボンが焼け落ち、炉壁の損傷部（凹み）が明らかとなり、その凹みにより押出抵抗は増え、結果として押出電力値Ｐ_ｎは大きくなっている。その後、押出を繰り返すと、カーボンが炉壁の損傷部に付着し、損傷部の凹みがカーボンにより埋まっていくので、押出回数ｎの増加とともに、押出抵抗は減少し、押出電力値Ｐ_ｎは低下していく。本発明では、このような押出回数ｎの増加とともに押出電力値Ｐ_ｎが低下する区間を低下区間とする。この低下区間後、さらに押出を繰り返すと、カーボンが局所的に張り出し、張り出したカーボンが押出抵抗となるので、押出回数ｎの増加とともに、押出抵抗は増大し、押出電力値Ｐ_ｎは上昇していく。本発明では、このような押出回数ｎの増加とともに押出電力値Ｐ_ｎが上昇する区間を上昇区間とする。

このようにして区分した低下区間と上昇区間のうち、低下区間における押出回数ｎと押出電力値Ｐ_ｎとの値を用いて、近似式（１）の炉壁状態値Ａ_Ｄおよび押出電力低下指数ｋ_ｎを求める。上記のように、低下区間においては、炉壁状態そのものが押出抵抗に大きく影響している。ただし、図３のように、低下区間の初期（押出回数ｎが少ないとき）には、炉壁状態の他に炉温や石炭性状などの要因も影響して、押出電力値Ｐ_ｎにはバラつきがあり、押出電力値Ｐ_ｎそのものを用いても炉壁状態による押出抵抗を適切に把握することは難しい。また、低下区間中、押出電力値Ｐ_ｎが安定して低下する区間は、炉壁の損傷部（凹み）にカーボンが付着して徐々に平滑化される状態であるため、この区間の押出電力値Ｐ_ｎは、空窯実施後の炉壁状態を示しているとは言えない。

そこで、本発明では、近似式（１）により求めた炉壁状態値Ａ_Ｄを用いることで、炉壁状態以外の要因を抑え、空窯実施後の炉壁状態による押出抵抗を適切に把握することが可能になる。

また、炉壁状態値Ａ_Ｄが大きいということは、空窯実施後の初めての押出から押出電力値が大きく、押出抵抗が大きいことを示している。逆に、炉壁状態値Ａ_Ｄが小さいということは、空窯実施後の初めての押出から押出電力値が小さく、押出抵抗が小さいことを示している。また、炉壁の損傷が大きいと押出電力値は大きいので、損傷の大小は炉壁状態値Ａ_Ｄの大小で評価することが可能といえる。つまり、炉壁状態値Ａ_Ｄを用いることで、炉壁状態を容易に評価することができる。

なお、本発明で空窯実施後とは、単に空窯を実施した後だけでなく、空窯を実施し、さらに溶射等の補修を行った後も含むものとする。

本発明に係るコークス炉炭化室炉壁状態評価方法において、各炭化室の炉壁状態値Ａ_Ｄをランク分けするステップをさらに含むことが好ましい。

コークス炉は、複数の炭化室を備えるので、各炭化室の炉壁状態値Ａ_Ｄをランク分けすることで、複数の炭化室の中で炉壁の補修を強化する優先順位を容易に決定することができる。

コークス炉の炭化室の断面図 炭化室を押出方向に見た断面図 空窯実施後の押出電力値の推移を示すグラフ

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は、コークス炉の炭化室１の断面図を示している。一般に、コークス炉は、炭化室１が複数並べられているが、ここでは説明の便宜のために、ひとつの炭化室１について説明を行う。

炭化室１の上部には、炭化室１へ石炭を装入するための装入車２が移動可能に設けられている。装入車２には、複数のホッパーからなるホッパー群Ｈが搭載されており、各ホッパーに充填された石炭を炭化室１内に装入することができる。石炭の炭化室１への装入は、炭化室１の上部に各ホッパーに対応して設けられた装入口３を介して行われる。また、炭化室１の上部には、装入口３のほか、ガスの抜け道である上昇管４が設けられている。なお、装入口３の個数は、適宜設定可能である。

炭化室１の両側には燃焼室が設けられており、燃焼室内で燃焼ガスを燃焼させて生じた燃焼熱によって、炭化室１内に装入された石炭を乾留してコークスＣを製造することができる。なお、図１には示していないが、燃焼室は図１の炭化室１の奥方向および手前方向にそれぞれ設けられる。

炭化室１内に装入された石炭の乾留が終了すると、図１の炭化室１の両側の窯口に配設された炉蓋５，６を開放する。一方の窯口側には押出機７が設けられており、この押出機７によって、炭化室１内のコークスＣは他方の窯口（排出口）から排出される。ここでは、図１の炉蓋５の左側方に押出機７が配置され、炉蓋６が配設された窯口が排出口であるとする。

＜炭化室炉壁状態評価方法＞
押出機７によってコークスＣを炭化室１から押し出す際、押出機７には押出抵抗が加わる。本実施形態では、コークスＣを炭化室１から押し出す際に必要な押出機７の電力値（ｋｗ）である、押出電力値Ｐ_ｎを測定している。押出電力値Ｐ_ｎは、押出抵抗に応じた値となる。なお、押出機７の電力値は、押出工程の中で炭化室１の押出方向（図１の左右方向）の位置によって変化するが、本実施形態では、一回の押出工程の中での最大電力値を押出電力値Ｐ_ｎとしている。

本実施形態では、炭化室１に対して空窯を実施した後、石炭の装入からコークスＣの押出までの一連の操作を繰り返し、その繰り返し回数、すなわち、押出回数ｎに対する押出電力値Ｐ_ｎを測定する。なお、炭化室１に対して空窯を実施した後、炉壁の補修のために溶射が行われることもある。

炭化室１に対して空窯実施後の押出回数ｎに対する押出電力値Ｐ_ｎは、上述したように、通常、図３のグラフのような推移を示す。横軸を押出回数ｎ（回）、縦軸を押出電力値Ｐ_ｎ（ｋｗ）とする。なお、図３の縦軸は、対数目盛としている。

押出回数ｎに対する押出電力値Ｐ_ｎが図３のような推移を示す理由について、図２を用いて説明する。図２は、炭化室１を押出方向に見た断面図である。炭化室１の炉壁１０は、例えば、耐火煉瓦を積み重ねることによって形成されている。

空窯実施直後は、図２（ａ）に示すように、炉壁１０に付着していたカーボンが焼け落ち、炉壁１０の損傷部１０ａが明らかとなる。このような損傷部１０ａは、空窯の繰り返し等によって生じる。損傷部１０ａの凹みにより、コークスＣを押し出す際には押出抵抗は増え、結果として押出電力値Ｐ_ｎは大きくなっている。

その後、押出を繰り返すと、図２（ｂ）に示すように、カーボン１１が炉壁１０の損傷部１０ａに付着し、損傷部１０ａの凹みがカーボン１１により徐々に埋まっていく。凹みがカーボン１１により埋まっていき、炉壁１０は平滑化していくので、押出回数ｎの増加とともに、押出抵抗は減少し、押出電力値Ｐ_ｎは低下していく。本実施形態では、このような押出回数ｎの増加とともに押出電力値Ｐ_ｎが低下する区間を低下区間と称する。

低下区間後、さらに押出を繰り返すと、図２（ｃ）に示すように、カーボン１１が局所的に張り出し、張り出したカーボン１１が押出抵抗となるので、押出回数ｎの増加とともに、押出抵抗は増大し、押出電力値Ｐ_ｎは上昇していく。本実施形態では、このような押出回数ｎの増加とともに押出電力値Ｐ_ｎが上昇する区間を上昇区間と称する。

このようにして区分した低下区間と上昇区間のうち、低下区間における押出回数ｎと押出電力値Ｐ_ｎとの値を用いて、以下の近似式（１）の炉壁状態値Ａ_Ｄおよび押出電力低下指数ｋ_ｎを求める。近似式（１）のグラフは、図３に直線で示しており、炉壁状態値Ａ_Ｄは、この直線のｙ切片である。なお、押出電力値Ｐ_ｎの低下区間と上昇区間との境界は、空窯実施後から押出回数ごとに近似式（１）を算出していき、式の相関係数値が最大値を示すときの押出回数とする。
Ｐ_ｎ＝Ａ_Ｄ×ＥＸＰ（−ｋ_ｎ×ｎ） （１）

低下区間においては、炉壁状態そのものが押出抵抗に大きく影響している。ただし、図３のように、低下区間の初期（押出回数ｎが少ないとき）には、炉壁状態の他に炉温や石炭性状などの要因も影響して、押出電力値Ｐ_ｎにはバラつきがある。

また、低下区間中、押出電力値Ｐ_ｎが安定して低下する区間は、上記のように、炉壁１０の凹みにカーボン１１が付着して徐々に平滑化される状態であるため、この区間の押出電力値Ｐ_ｎは、空窯実施後または溶射補修後の炉壁状態を示しているとは言えない。

そこで、近似式（１）により求められた炉壁状態値Ａ_Ｄを用いることで、炉壁状態以外の要因を抑え、空窯実施後の初期の炉壁状態による押出抵抗を適切に把握することが可能になる。

炉壁状態値Ａ_Ｄが大きいということは、空窯実施後の初めての押出から押出電力値Ｐ_ｎが大きく、押出抵抗が大きいことを示している。逆に、炉壁状態値Ａ_Ｄが小さいということは、空窯実施後の初めての押出から押出電力値Ｐ_ｎが小さく、押出抵抗が小さいことを示している。また、炉壁１０の損傷が大きいと押出電力値Ｐ_ｎは大きいので、損傷の大小は炉壁状態値Ａ_Ｄの大小で評価することが可能といえる。つまり、炉壁状態値Ａ_Ｄを用いることで、空窯実施後の炉壁状態を容易に評価することができる。

また、炉壁状態値Ａ_Ｄが大きいと、空窯実施後に押出不良が頻繁に発生する。押出不良が発生すると押出機７で押しても炭化室１からコークスＣを排出できなくなくなる押し詰まりの危険性が高くなる。押し詰まりの危険性を減らすためには、石炭の装入量を低減する（調整装入）などの特別の処置が実施されるので、管理上の負担が大きくなる。そのため、空窯実施後に補修を行い、炉壁状態値Ａ_Ｄを下げることで、押し詰まりの危険性が減少し、調整装入も減少して管理上の負担も小さくなり、その結果、生産能力の向上に繋がる。

また、仮に炉壁状態値Ａ_Ｄが大きい場合であっても、上記のように、押出回数ｎの増加とともに押出電力値Ｐ_ｎは低下していくが、炉壁状態値Ａ_Ｄが大きい場合には空窯実施後の溶射等の補修が十分でなかったことが推察される。よって、次回の空窯実施後の溶射は特に注意して補修精度を強化する必要がある。このように、炉壁状態値Ａ_Ｄを用いて炉壁状態を評価することで、炭化室の炉壁の損傷の大小や、補修の必要性などを容易に判断することが可能になる。

＜別実施形態＞
上記の実施形態では、コークスＣの押出時の押出抵抗を表すものとして、押出電力値Ｐ_ｎを測定したが、押出機７のモータの押出時電流値や反力値を測定しもよい。

１ 炭化室
３ 装入口
７ 押出機
１０ 炉壁
１０ａ 損傷部
１１ カーボン
Ｃ コークス

Claims (2)

1. コークス炉炭化室の炉壁状態を評価するコークス炉炭化室炉壁状態評価方法であって、
   炭化室の空窯実施後の押出回数ｎに対する押出電力値Ｐ_ｎを測定するステップと、
   押出回数ｎの増加とともに押出電力値Ｐ_ｎが低下する低下区間と、この低下区間後に押出回数ｎの増加とともに押出電力値Ｐ_ｎが上昇する上昇区間とに区分するステップと、
   前記低下区間における押出回数ｎと押出電力値Ｐ_ｎとの値を用いて、以下の近似式（１）の炉壁状態値Ａ_Ｄおよび押出電力低下指数ｋ_ｎを求めるステップと、
   求めた炉壁状態値Ａ_Ｄを用いて炉壁状態を評価するステップと、を含むコークス炉炭化室炉壁状態評価方法。
   Ｐ_ｎ＝Ａ_Ｄ×ＥＸＰ（−ｋ_ｎ×ｎ） （１）
2. 各炭化室の炉壁状態値Ａ_Ｄをランク分けするステップをさらに含む請求項１に記載のコークス炉炭化室炉壁状態評価方法。
   

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