JP5477232B2

JP5477232B2 - コークス炉

Info

Publication number: JP5477232B2
Application number: JP2010195741A
Authority: JP
Inventors: 秀行國政; 省二高瀬; 和弥上坊
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-09-01
Filing date: 2010-09-01
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2030-09-01
Also published as: JP2012052021A

Description

本発明は、コークス炉に関し、具体的には、コークス押出方向（以下「炉長方向」と称する）のプッシャーサイドとコークサイドの両端燃焼室内の高さ方向燃焼温度の均一化、および両端燃焼室の損傷の抑制を図ることができるとともに、両端の燃焼室が損傷した場合における補修が容易なコークス炉に関する。

室炉式コークス炉（以下、単に「コークス炉」という。）は、炉体の上部に、原料である石炭を乾留して製品であるコークスを製造する炭化室と、乾留に必要な熱を炭化室に供給する燃焼室とが交互に重層的に配置されるとともに、炉体の下部に蓄熱室が配置される。炭化室と燃焼室とは耐火性煉瓦の壁によって仕切られる。燃料ガスおよび空気は、蓄熱室で予熱された後に燃焼室に供給される。空気と燃料ガスの燃焼反応に伴って生成する燃焼熱は、耐火性煉瓦の壁を介して炭化室に伝わり、間接加熱によって石炭を乾留する。燃焼ガスは、蓄熱室で熱回収された後に煙道を経て排気される。

コークス炉で石炭を乾留する際には、乾留が炉内各部で均一に進むことが望ましい。炉内各部で均一に石炭を乾留するためには、炉長方向燃焼温度のみならず炉高方向燃焼温度を均一化することが必要になる。なお、本明細書では、炉高方向とは上下方向（鉛直方向）を意味し、炉団方向とは炉長方向と直交する水平方向を意味する。

コークス炉の炉体の大型化に伴って炉高方向燃焼温度の均一化のために、これまでにも種々の構造の燃焼室が提案されている。そのひとつがいわゆるツインフリュータイプの燃焼室であり、燃焼ガス再循環方式のコークス炉において実施されている。

ここで、ツインフリュータイプの燃焼室は、炉長方向の隣り合う２つの燃焼室が燃焼室上部で繋がって対をなし、一方の燃焼室で燃料ガスおよび空気が燃焼して生成した燃焼ガスが他方の燃焼室に排気される構造を有する。また、燃焼ガス再循環方式とは、上記隣り合い、かつ、対を成す燃焼室を仕切る煉瓦壁の下部に開口部を配置し、排気される燃焼ガスの一部を燃料ガスおよび空気と混合することによって燃料ガスと空気との燃焼反応を遅らせて、燃焼室の高さ方向の長炎化を図ることにより、燃焼温度の分布を均一化するものである。

図１０は、多段燃焼構造の燃焼室を備えるコークス炉２０の構造を示す二面図である。
多段燃焼構造は、各燃焼室２１の下位で完全燃焼に必要とされる空気の一部を供給し、各燃焼室２１の上位で不足分の空気を、例えば、炉長方向に細分された燃焼室２１同士の隔壁内に空気の供給路２２を形成し、この供給路２２から片側の燃焼室２１へ空気を供給すること、すなわち、燃焼室２１の内部に空気および燃料ガスを導入する際に、底部からのみではなく、燃焼室２１を仕切る隔壁に埋設されたダクトを介して、複数の高さの位置から空気あるいは空気と燃料ガスを導入することによって、補うことで全体として完全燃焼させることによって、火炎温度を下げてＮＯｘの低減を図りながら炉高方向燃焼温度の均一化を図る技術である。

なお、本明細書では、空気および燃料ガスを燃焼室底部のみから供給する構造を、単段燃焼構造という。
特許文献１には、燃焼ガス再循環方式と多段燃焼構造を組み合わせた燃焼ガス循環式多段燃焼構造のコークス炉が提案されており、大型コークス炉において効果を発揮している。単段燃焼構造のコークス炉に比べて、特許文献１に代表される多段燃焼構造のコークス炉は、炉底および上部の空気あるいは燃料ガスの供給量を調整することにより、炉高方向での乾留均一化を図ることができる温度分布を容易に形成することができる。

しかし、多段燃焼構造のコークス炉には、煉瓦が損傷した際の処置が複雑になるという課題がある。すなわち、炉長方向両端に位置する燃焼室（以下、「端燃焼室」という。）は、炭化室の窯口に位置するためにコークス炉操業時の温度変化が大きく、煉瓦が損傷し易い。ところが、端燃焼室に多段燃焼用のダクトが形成されていると、煉瓦損傷時に、炭化室に装入した石炭が燃焼室内に入ってこのダクトを塞ぐことがあり、この場合には、例えば、加熱壁を解体するとともにダクトを構成する煉瓦をも解体し、ダクトを塞ぐ石炭を除去する必要を生じ、端燃焼室の補修に多大な労力が必要となる。

図１１は、特許文献２により開示されたコークス炉２３の構造を示す二面図である。
特許文献２には、（ａ）燃焼室を構成するレンガは、窯口に近いほど劣化し易いことから、炉長方向の最も外側に位置する炉外との隔壁には、多段燃焼の上部に空気を供給するダクトを形成することは避けたいこと、（ｂ）炉高方向の均一加熱およびＮＯｘ低減の観点より、本来なら、全ての燃焼室を多段燃焼構造としたいこと、（ｃ）上記（ａ）項および（ｂ）項の両方を満足しようとすると、炉長方向の中心の燃焼室を仕切る隔壁に２個のダクトを貫通させることになり、炉体強度の低下やこの部分の温度低下の問題を生じることから、図１１に示すように、燃焼室２１同士の隔壁内に形成される空気の供給路２２の吹出し口をコークサイドの一方向に揃えて形成し、プッシャーサイドの最端に位置する垂直フリューに対してだけは、供給炉２２を形成しないこと、すなわち、全ての燃焼室を多段燃焼構造にするのではなく、プッシャーサイドの端燃焼室のみ単段燃焼構造とし、残りの燃焼室を多段燃焼構造とすることが開示されている。

特許文献２により開示されたコークス炉によれば、炉長方向の中心に位置する隔壁内に、コークサイドとプッシャーサイドに吹出す二つの供給路を併設する必要がなくなり、炉長方向の中心部で、多段燃焼のために供給する空気の圧損を軽減できることから、空気の流量減少に起因して中心部の燃焼温度が局部的に低下することを回避でき、炉長方向の温度分布の均一化を得られる。

特公平７−７８２２０号公報特開２００８−１２７４７８号公報

特許文献２により開示されたコークス炉においてプッシャーサイドの端燃焼室のみを単段燃焼構造とする理由は、炉高方向での乾留均一化および損傷回避を図るためではなく、炉体強度を損なうことなく炉長方向の温度分布の均一化を図るためである。このため、特許文献２により開示されたコークス炉では、端燃焼室での炉高方向の乾留均一化および損傷回避を図ることはできない。

また、特許文献２により開示されたコークス炉では、燃焼室の窯口煉瓦の劣化抑制のためにプッシャーサイドの端燃焼室のみ単段燃焼構造とするが、この端燃焼室が損傷したときの上述した課題の解決手段は開示も示唆もされていない。

図１２は、コークス炉２４の端燃焼室２５が損傷した状況を概念的に示す説明図である。図１２に示すように、端燃焼室２５の煉瓦２６が陥没すると、石炭が端燃焼室２５に漏れこむ場合がある。その際には、端燃焼室２５に漏れこんだ石炭は、炭化室側から加熱壁煉瓦を開口し、取り除くことは可能であるものの、漏れこんだ石炭が燃焼室上位に位置する空気供給孔から端燃焼室２５を仕切る壁２７に埋設されたダクト２８の内部に侵入すると、取り除くことは容易ではなく、多大なコストをかけ、仕切り煉瓦を全て解体し、再構築するか、ダクト２８を通しての上部からの燃料ガスあるいは空気の供給を諦らめざるを得なくなり、炉高方向に均一にコークスを乾留することは不可能になる。

本発明は、端燃焼室の損傷の回避および端燃焼室が損傷したときの補修を容易に行うことができ、かつ炉長方向の全ての燃焼室の炉高方向の均一加熱を行うことができるコークス炉を提供することを目的とする。

本発明者らは、コークス炉の炉長方向の両端に位置する二つの端燃焼室を燃焼ガス循環式単段燃焼構造とするとともに、これら二つ以外の他の燃焼室を多段燃焼構造とすることによって、端燃焼室の損傷の回避および端燃焼室が損傷した場合における補修を容易にし、なおかつ炉長方向の全ての燃焼室の炉高方向の均一加熱を行うことができることを知見し、さらに検討を重ねて、本発明を完成した。

本発明は、隣接して共働する２つの燃焼室を複数組有する燃焼室を備え、この燃焼室に空気と燃料ガスを供給し、その燃焼熱により石炭を乾留するコークス炉であって、複数の燃焼室のうちで炉長方向のコークス押出側と出側の両端の燃焼室が、いずれも、空気と燃料ガスを炉底からのみ供給する単段燃焼構造を有するとともにこの燃焼室の底部に燃焼ガス再循環孔を備えるとともに、複数の燃焼室のうち残余の燃焼室は、炉底からの空気と燃料ガスの供給に加え、燃焼室を仕切る壁内のダクトを介して複数の高さから空気を導入する多段燃焼構造を有することを特徴とするコークス炉である。

本発明では、コークス押出側と出側の両端の各燃焼室それぞれに二つ設けられた二つの燃焼ガス再循環孔の合計断面積は３００〜１０００ｃｍ^２であることが望ましい。
これらの本発明では、燃料ガスおよび空気を予熱する蓄熱室のうちで、多段燃焼構造を有する燃焼室に対応する蓄熱室は炉底用と上部用に分割され、単段燃焼構造を有する蓄熱室は炉底用と上部用に分割されずに一体に構成されることが望ましい。

本発明に係るコークス炉によれば、コークス炉の炉長方向の両端の燃焼室の損傷の回避およびこれら両単の燃焼室が損傷したときの補修を容易に行うことができ、かつ炉長方向の全ての燃焼室の炉高方向の均一加熱を行うことができる。

図１は、水分６．５％の石炭を加熱壁厚み１００ｍｍとし、２０時間で均一加熱するための炉高方向の燃焼室温度分布のモデル計算結果を示すグラフである。図２は、多段燃焼構造を有する端燃焼室の高さ方向の温度分布を示すグラフである。図３は、単段燃焼構造を有する端の燃焼室の高さ方向の温度分布を示すグラフである。図４は、燃焼ガス再循環孔の断面積とＮＯｘとの関係を示すグラフである。図５は、燃焼ガス再循環孔を示す説明図である。図６は、本発明のコークス炉の構成の概略を示す説明図である。図７は、蓄熱室を上より見たときの説明図である。図８は、図７のＡ−Ａ断面図であって、空気を炉底および上部より独立して供給するための中央部の蓄熱室構造を示す説明図である。図９は、図７のＢ−Ｂ断面図であって、空気および燃料ガスを炉底からのみ供給するための両端の蓄熱室構造を示す説明図である。図１０は、多段燃焼構造の燃焼室を備えるコークス炉の構造を示す二面図である。図１１は、特許文献２により開示されたコークス炉の構造を示す二面図である。図１２は、コークス炉の端燃焼室が損傷した状況を概念的に示す説明図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を説明する。
本発明者らは、まず、炉高方向で乾留の均一化を図るための条件を、炭化室の炉団方向（幅方向）の石炭乾留状況を算出する計算モデルを用いて考察した。

炭化室内に装入された石炭は、高さ方向への嵩密度分布を有する。具体的には、炭化室の上部は嵩密度が低く、下部は装入時や上部石炭により圧密されるため、嵩密度が高い。このため、燃焼室の上下方向の温度分布が完全に均一であると、下部の乾留が上部の乾留よりも遅れるため、却って石炭の乾留は均一状態にはならない。

最適な燃焼室の高さ方向の温度分布をモデル計算により試算した結果、燃焼室の上下の温度差（＝下部温度−上部温度）が６０℃程度であれば、石炭の乾留はほぼ均一した状態で進行することがわかった。

図１は、水分６．５％の石炭を加熱壁厚み１００ｍｍとし、２０時間で均一加熱するための高さ方向の燃焼室温度分布のモデル計算結果を示すグラフである。
また、本発明者らは以下の知見を得た。コークス炉の燃焼構造は基本的には炉長方向で同一構造とするため、炉長方向両端の端燃焼室は、中央部の燃焼室とほぼ同一の燃焼室形状を有する。しかし、端燃焼室は中央部と比べて端部から炉外への放熱があるため、中央部と同等の燃焼熱を炭化室に供給するためには、中央部より多くの空気および燃料ガスが必要となる。その量は中央部の燃焼室に対し１．４〜２倍となる。したがって、ガス量が多い分、燃焼室内のガス流速が増加し、燃焼炎は中央部に比べて長炎化してくるとの前提の下で、端燃焼室を模擬したモデルで端燃焼室の高さ方向の温度分布を計算した。

計算の前提として、燃焼室の高さを６ｍとし、炉底より燃料ガス、空気を、高さ２．５ｍの位置より空気を供給することとした。空気の分配は炉底と上部で５０％ずつとした。
図２は、多段燃焼構造を有する端燃焼室（稼働率１２０％）の高さ方向の温度分布を示すグラフである。

図２にグラフで示すように、熱が上部に着きすぎ、炉高方向の均一加熱は難しい結果となった。これは、上述したように、炉長方向両端の端燃焼室は、中央部の燃焼室とほぼ同一の燃焼室形状でありながら、中央部の燃焼室に対し、１．４〜２倍の燃料を燃焼させているため、燃焼炎が長炎になるためと想定される。

そこで、既存の単段燃焼構造を有する端燃焼室の高さ方向の温度分布を、同様の手法で計算した。
図３は、単段燃焼構造を有する端燃焼室（稼働率１２０％）の高さ方向の温度分布を示すグラフである。図３のグラフと図２のグラフとを対比することから理解されるように、単段燃焼構造を有する端燃焼室であっても、充分均一な高さ方向温度分布を得られることがわかる。

この計算では、単段燃焼構造の燃焼室を備えるコークス炉の燃焼ガス再循環開口断面積は約３１０ｃｍ^２とした。
図４は、燃焼ガス再循環孔の断面積とＮＯｘとの関係を示すグラフである。このグラフは、再循環孔の形状に関して高さ方向を２５ｃｍとして、炉幅方向の長さを変化させ、多段燃焼と単段燃焼において燃焼ガス再循環孔断面積と燃焼ガス中のＮＯｘの関係を示す。

燃焼ガス中のＮＯｘを、ＮＯｘモデル計算にて多段燃焼と単段燃焼とについて、燃焼ガス再循環孔７の断面積を変えて計算した結果、図４にグラフで示すように、炉長方向両端の端燃焼室は燃料ガス量が多いことから、多段燃焼効果よりも燃焼ガス再循環断面積の効果が大きいことを知見した。

図４にグラフで示す結果から、燃焼ガス再循環用の循環孔７の２つの断面積の合計を３００ｃｍ^２以上に設定することで、単段燃焼であっても多段燃焼と同等の効果を得られることがわかる。

図５は、燃焼ガス再循環孔を示す説明図である。ツインフリュータイプの燃焼室の一方で燃料ガスと空気が燃焼し、もう一方に発生した燃焼ガスが排気されるが、その一部が燃焼ガス再循環孔７を通って再度、燃料ガスと空気が燃焼している燃焼室に侵入する。

燃焼ガス再循環孔７は燃焼室を仕切る壁に孔をあけることになるので、その断面積を大きくし過ぎると、炉壁強度を低下させることとなり好ましくない。本発明者らは二つの再循環用の循環孔の合計断面積の上限を、図５に示すように高さ方向開口長８を煉瓦２段程度と考え、高さ２５ｃｍ（これが煉瓦２段程度）×幅２０ｃｍを２孔設けることが実際的な上限、と見て１０００ｃｍ^２とした。

図６は、本発明に係るコークス炉の構成の概略を示す説明図である。
各燃焼室１には、下部より炉底部には燃料ガス供給孔２および空気供給孔３が設けられている。また、燃焼室中段には多段燃焼用の空気供給孔４が設けられている。

端燃焼室５，６には、中央部の各燃焼室１とは異なり、多段燃焼用の空気供給孔４が設けられていない。
図７は、蓄熱室を上より見た時の説明図である。端燃焼室の空気予熱のための蓄熱室１３には燃焼室中央部の炉底用空気予熱のための蓄熱室９と燃焼室中央部の上部用空気予熱のための蓄熱室１０と違い、炉底部と上部用に区切る仕切り壁１１が設けられていない。

図８は、図７のＡ−Ａ断面図であって、空気を炉底および上部より独立して供給するための中央部の蓄熱室構造を示す説明図であり、図９は、図７のＢ−Ｂ断面図であって、空気および燃料ガスを炉底からのみ供給するための両端の蓄熱室構造を示す説明図である。なお、図７〜９は、炉底部より燃料ガスおよび空気を供給し、上部より空気のみを供給するタイプの蓄熱室の構造を示す。

燃焼室の中央部には炉底部と上部に空気を供給するため、空気予熱用の蓄熱室自身も炉底部用と上部用に分割することにより、それぞれ独立して供給量が調整できる。一方、燃焼室の両端は空気および燃料ガスの両方とも炉底のみからの供給のため、蓄熱室は分割する必要がない。

１燃焼室
２燃料ガス供給孔
３空気供給孔
４多段燃焼用の空気供給孔
５、６端燃焼室
７燃焼ガス再循環用の循環孔
８燃焼ガス再循環孔の高さ方向開口長
９燃焼室中央部の炉底用空気予熱のための蓄熱室
１０燃焼室中央部の上部用空気予熱のための蓄熱室
１１蓄熱室を分割するための仕切り壁
１２燃料ガス予熱のための蓄熱室
１３端燃焼室の空気予熱のための蓄熱室

Claims

隣接して共働する２つの燃焼室を複数組有する燃焼室を備え、該燃焼室に空気と燃料ガスを供給し、その燃焼熱により石炭を乾留するコークス炉であって、
前記複数の燃焼室のうちで炉長方向のコークス押出側と出側の両端の燃焼室は、いずれも、空気と燃料ガスを炉底からのみ供給する単段燃焼構造を有するとともに該燃焼室の底部に燃焼ガス再循環孔を備え、かつ
前記複数の燃焼室のうち残余の燃焼室は、炉底からの空気と燃料ガスの供給に加え、燃焼室を仕切る壁内のダクトを介して複数の高さから空気を導入する多段燃焼構造を有することを特徴とするコークス炉。
前記コークス押出側と出側の両端の各燃焼室それぞれに二つ設けられた前記燃焼ガス再循環孔の合計断面積は３００ｃｍ^２以上１０００ｃｍ^２以下である請求項１に記載されたコークス炉。
前記燃料ガスおよび空気を予熱する蓄熱室のうちで、前記多段燃焼構造を有する燃焼室に対応する蓄熱室は炉底用と上部用に分割され、前記単段燃焼構造を有する蓄熱室は炉底用と上部用に分割されずに一体に構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたコークス炉。