JP5589682B2 - コークスの押出力の推定方法及びコークス炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、コークス炉からコークスを押し出す際に必要な押出力を推定するコークスの押出力の推定方法、及びこの推定方法によって推定された押出力に基づいてコークス炉からコークスを押し出す際の押出力を制御するコークス炉の操業方法に関するものである。

コークス炉では、隣り合う複数の炭化室に順次石炭を装入し、各炭化室において１１００℃前後の高温で乾留を行い、乾留によって生成されたコークスを押出機によって各炭化室から押し出すことにより、コークスが製造される。このようなコークス炉では、近年の炉壁の損耗などの老朽化に伴い、乾留後のコークス（以下、コークスケーキとも称する）が炉壁の凹凸部にトラップされることによって、炭化室からコークスが円滑に押し出されないという押し詰まりの問題が多発している。

コークス炉における装炭，乾留，押出などの作業のスケジュールは厳密に管理されている。このため、一部の炭化室で押し詰まりが発生すると、隣接する炭化室の温度が低下し、さらにその温度低下が周囲の炭化室に伝搬していくという悪循環が生じ、コークス炉全体の稼働率及び生産性に多大な悪影響を及ぼす。従って、押し詰まりが発生することを抑制するために、炭化室に装入する石炭の性状，炉壁の状況，操業条件などを考慮して炭化室からコークスを押し出す際に必要な押出力を予測，制御することが必要になっている。

このような背景から、特許文献１には、炉壁に付着したカーボンがコークスケーキと炉壁との間の摩擦力に影響することに着目して、炉壁に付着するカーボンの量を推定し、推定結果に基づいて炭化室からコークスを押し出す際の負荷を推定する方法が開示されている。また、特許文献２には、石炭の配合を調整することによって炉壁とコークスケーキとの間の間隙（クリアランス）を広げることにより、押し詰まりが発生することを抑制する方法が開示されている。

特開２００２−１７３６８７号公報 特開２００４−３５９９０１号公報

ところで、炉壁の状態は炭化室毎に異なり、コークスの押出性を支配する因子は炭化室毎に異なると考えられる。しかしながら、従来技術では、全ての炭化室について同様の方式でコークスの押出性を推定している。このため、従来技術によれば、炭化室によってはコークスの押出性を推定する上で必要でない因子まで含めてコークスの押出性を推定することにより、コークスの押出性の推定精度が低下する可能性があると共に、因子数が多くなることによって推定式の形が複雑にならざるを得ない。また、従来技術によれば、推定式の形が非線形であり、変数の操作量と押出力の変化量とが比例関係にないために、押し詰まりを抑制するためにはどの変数をどの程度操作すれば良いのかがわかりづらく、実際の操業に推定式を適用することが困難であった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、コークスを押し出す際に必要な押出力を炭化室毎に精度高く、且つ、容易に推定可能なコークスの押出力の推定方法、及びコークスの押し詰まりが発生することを抑制可能なコークス炉の操業方法を提供することにある。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るコークスの押出力の推定方法は、炭化室からコークスを押し出す際に必要な押出力に寄与する複数の因子の中から、該押出力に対し非線形に寄与する因子を非線形因子として特定するステップと、前記非線形因子の値に応じて、前記押出力の実測値のデータを複数のグループに分類するステップと、各グループについて、前記押出力の実測値に対する予測誤差が最小となる前記因子の組み合わせを特定し、特定された組み合わせに基づいて前記押出力を推定する線形回帰推定式を構築するステップと、前記線形回帰推定式に基づいて炭化室からコークスを押し出す際に必要な押出力を推定するステップと、を含み、これらのステップをコークス炉を構成する複数の炭化室毎に実行する。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るコークス炉の操業方法は、本発明に係るコークスの押出力の推定方法によって推定された押出力に基づいて押出力を制御するか否かを炭化室毎に判断し、押出力を制御する場合には、複数の所定の処理のうちの少なくとも１つの処理を炭化室毎に実行するステップを含む。

本発明に係るコークスの押出力の推定方法によれば、コークスを押し出す際に必要な押出力を炭化室毎に精度高く、且つ、容易に推定できる。また、本発明に係るコークス炉の操業方法によれば、コークスの押し詰まりが発生することを抑制できる。

図１は、本発明の一実施形態であるコークスの押出力の推定方法及びコークス炉の操業方法の対象となるコークス炉の構成を示す斜視図である。 図２は、本発明の一実施形態であるコークスの押出力の推定方法及びコークス炉の操業方法の対象となるコークス炉の構成を示す平面断面図である。 図３は、コークスの押出抵抗（押出力）を支配する因子（説明変数）の因果関係を示す図である。 図４は、クロスバリデーション法を利用した説明変数の最適化計算結果の一例を示す図である。 図５は、最適化された説明変数を用いて導出された推定式から求められた押出ピーク値の予測値と実測値との合致度の一例を示す図である。 図６は、押出ピーク値の推定式の残差と説明変数としての総炭化時間及び燃焼室温度との関係を示す図である。 図７は、総炭化時間が所定時間以上である場合と所定時間未満である場合とに分けて導出した推定式から求められた押出ピーク値の予測値と実測値との合致度を示す図である。 図８は、総炭化時間が所定時間以上である場合と所定時間未満である場合とにおける押出ピーク値を予測する上で最適な説明変数の組み合わせを示す図である。 図９は、本発明の一実施形態であるコークスの押出力の推定方法の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態であるコークスの押出力の推定方法及びコークス炉の操業方法について説明する。

〔コークス炉の構成〕
始めに、図１，２を参照して、本発明の一実施形態であるコークスの押出力の推定方法及びコークス炉の操業方法の対象となるコークス炉の構成について説明する。但し、本発明の一実施形態であるコークスの押出力の推定方法及びコークス炉の操業方法の対象となるコークス炉は、図１，２に示す構成に限定されることはない。

図１は、本発明の一実施形態であるコークスの押出力の推定方法及びコークス炉の操業方法の対象となるコークス炉の構成を示す斜視図である。図１に示すように、本発明の一実施形態であるコークスの押出力の推定方法の対象となるコークス炉は、複数の炭化室１１及び燃焼室１２を有する。複数の炭化室１１及び燃焼室１２は、蓄熱室１３の上部に交互に形成され、各炭化室１１の天井部には、複数の装炭口１４が形成されている。

複数の装炭口１４は、コークス炉の上部を走行する装炭車１５によって運ばれた石炭を炭化室１１内に装入するためのものである。装炭口１４から炭化室１１に装入された石炭は、燃焼室１２からの熱を受けて乾留し、赤熱コークスとなって炭化室１１から押出機１６によって押し出される。炭化室１１から押し出された赤熱コークスは、ガイド車１７を経て消火車１８に受け渡され、消火車１８によって図示しない赤熱コークス消火設備へと輸送される。

図２は、本発明の一実施形態であるコークスの押出力の推定方法及びコークス炉の操業方法の対象となるコークス炉の構成を示す平面断面図である。図２に示すように、炭化室１１は、炭化室壁１１ａ，１１ｂを有する。炭化室壁１１ａ，１１ｂは、例えば珪石からなる多数の煉瓦１９を積み上げることによって形成されている。炭化室１１は、押出機１６の押出ラム１６ａ（図１参照）が挿入される窯口と赤熱コークスが押し出される窯口とを有し、窯口の近傍には、Ｈ形鋼などからなるバックステー２０が炉壁の変形や倒壊を防止する目的で立設されている。

〔コークスの押出力の推定方法〕
次に、上記コークス炉において押出機１６によって各炭化室１１からコークスを押し出す際に必要な押出力を推定する方法について説明する。

本実施形態では、押出力の指標として、押出機１６の押出ラム１６ａの駆動モータに流れる電流値のピーク値を用いる。押出過程の初期においては、押出ラム１６ａの位置変化はコークスケーキ内部の空隙によって吸収されるために、押出荷重は小さくなる。そして、コークスケーキ内部の空隙が小さくなると、押出荷重は静止摩擦力の最大値に向かって上昇していく。この押出荷重の最大値を押出ピークという。押出ピークの値が押し詰まりに密接に関係していると考えられるので、本実施形態では押出ピーク値を推定対象（目的変数）とする。

図３は、コークスの押出抵抗（押出力）を支配する因子の因果関係を示す図である。図３に示すように、コークスの押出抵抗は、コークスケーキの側面と炉壁との間のクリアランス，コークスケーキを押し出した際にコークスケーキが崩壊せずに形状を維持しようとする安定性（ケーキ安定性），及び炉壁の平滑度（炉壁凹凸）によって支配されていると考えられている。クリアランス及びケーキ安定性は、配合した炭の性状（膨張性，亀裂）及び乾留条件（嵩密度，水分，粒度，乾留時間，炉温，炉温分布）によって左右される。炉壁凹凸は、炉の老朽化に伴い炭化室によって差異が大きいと考えられるが、炉壁に付着したカーボンを剥離させてからの日数（カーボン落とし後日数，カーボン補修条件）にも依存すると考えられる。

本実施形態では、目的変数としての押出ピーク値を推定するための説明変数として、石炭化率（Ｒｏ），石炭化率のばらつき（σＲｏ），コークスの流動度（ＭＦ），クリアランス（ＣＬ），コークスの粒度，カーボン落とし後日数（Ｃ落ち），総炭化時間（ＧＣＴ），装炭量，燃焼室温度（flue温度），燃焼室温度のばらつき（flueσ），及び嵩密度の１１個の説明変数を用いた。しかしながら、これらの説明変数は、コークスの押出抵抗に寄与することは判明しているものの、炭化室によってその影響度が異なることが予想され、場合によっては全く寄与しない、若しくは、推定式構築の際に多重共線性などの問題で冗長な因子が含まれる可能性がある。

そこで、本実施形態では、押出ピーク値を推定する上で最適な説明変数を炭化室毎に決定するために、クロスバリデーション法と呼ばれる統計的手法を用いた。具体的には、始めに、押出ピーク値の実測値のデータを推定式構築のデータ（式構築データ）と推定式検証用のデータ（検証データ）とに分割し、式構築データについて全ての説明変数を用いた線形重回帰分析を行うことによって押出ピーク値の推定式を導出する。次に、導出された推定式を用いて検証データについて押出ピーク値の予測値を算出し、算出された予測値と実測値との誤差を予測誤差として算出する。そして、このようにして得られた予測誤差を最小化するように線形重回帰分析を行う際の説明変数の数を順次減らしていくことによって、押出ピーク値を推定する上で最適な説明変数を炭化室毎に決定する。

図４は、クロスバリデーション法を利用した説明変数の最適化計算結果の一例を示す図である。図４（ｂ）に示すように、式構築データでは、説明変数の数が多い程、つまり削った説明変数の数が少ないほど予測誤差（ＲＭＳＥ）が小さくなる。一方、図４（ａ）に示すように、検証データでは、予測に不要な説明因子から削られていくために、最初のうちは予測誤差が小さくなっていくが、さらに説明変数を削っていき押出性に寄与する説明因子まで削られてしまうと予測誤差は大きくなっていく。

このように、式構築用データと検証データとで予測誤差の変化の様子が異なる理由は、式構築データでは、押出ピーク値の予測に有用でない説明変数まで含めて線形重回帰分析が行われているためである。従って、検証データにおける予測誤差が最小となる説明変数の組み合わせが、押出ピーク値を推定する上で最適な説明変数の組み合わせであると考えられる。具体的には、図４（ａ）に示す例では、説明変数の数が４つである時、つまり削った説明変数の数が７つであるの時、予測誤差が最も小さくなっている。従って、この４つの説明変数の組み合わせが、押出ピーク値の予測には最適な説明変数の組み合わせであると考えられる。

図５は、最適化された説明変数を用いて導出された推定式から求められた押出ピーク値の予測値と実測値との合致度を示す図である。図５に示すように、押出ピーク値が小さな領域では、高い推定精度が得られたが、押出ピーク値が大きな領域では、予測値と実測値との合致度が低く、推定精度が不十分な状況であり、押出ピーク値を正確に推定できなかった。そこで、予測が外れてしまった要因を特定するために、推定式の予測誤差（残差）と各説明変数との独立性を調査した。良好な予測式であれば、残差と各説明変数とは独立であるはずである。

図６は、押出ピーク値の推定式の残差と説明変数としての総炭化時間及び燃焼室温度との関係を示す図である。図６（ｂ）に示すように、燃焼室温度については、推定式の残差との間に関係性はなく、推定式の残差と独立の関係にあることが明らかになった。しかしながら、総炭化時間については、特に総炭化時間が短い場合に残差に偏りが見られ、推定式の残差と独立の関係にないことが明らかになった。これは、総炭化時間が、押出ピーク値に非線形に寄与していることを示唆している。

そこで、本実施形態では、押出ピーク値の実測値のデータを総炭化時間が所定時間以上である場合（総炭化時間長）と所定時間未満である場合（総炭化時間短）とにグループ分けした後、各グループについてクロスバリデーション法を用いて推定式を導出した。なお、所定時間は、データを分割した際に、各グループのデータ点数が、実用上有効な（信頼性が高い）推定式を構築するために必要なデータ点数（３０点程度）になる時間によって決めることとする。

図７は、総炭化時間が所定時間以上である場合と所定時間未満である場合とに分けて導出した推定式から求められた押出ピーク値の予測値と実測値との合致度を示す図である。図７に示すように、押出ピーク値の全領域において、押詰ピーク値を高い精度で推定できていることがわかる。

図８は、総炭化時間が所定時間以上である場合と所定時間未満である場合とにおける押出ピーク値を予測する上で最適な説明変数の組み合わせを示す図である。図８中、太字で示す説明変数が押出ピーク値を予測する上で最適な説明変数である。総炭化時間が所定時間未満である場合、総炭化時間、燃焼室温度、及び炉壁間隙が重要な説明変数であることが知見された。このことから、炭化時間が所定時間未満で短い場合には、コークスケーキの収縮が進まないので、炉壁との間隙が不十分であることが押し詰まりの支配的要因の一つであることが考えられる。一方、総炭化時間が所定時間以上である場合には、燃焼室温度、カーボン落とし後日数、流動度などが重要な説明変数であることが知見された。このことから、総炭化時間が所定時間以上で長い場合には、コークスケーキの収縮の効果が飽和し、炉壁の状態や石炭の配合に関するパラメータが押し詰まりの支配的要因になっていると考えられる。

以上のコークスの押出力の推定方法の流れをフローチャートにまとめると、図９に示すようになる。図９は、本発明の一実施形態であるコークスの押出力の推定方法の流れを示すフローチャートである。図９に示すように、本発明の一実施形態であるコークスの押出力の推定方法では、始めに、押出ピーク値の実測値のデータを総炭化時間が所定時間以上である場合と所定時間未満である場合とにグループ分けする（ステップＳ１）。そして、各グループについて押出ピーク値の実測値のデータを検証データと式構築データとに分割し（ステップＳ２）、式構築データについて全ての説明変数を用いた線形重回帰分析を行うことによって押出ピーク値の推定式を導出する（ステップＳ３）。

次に、導出された推定式を用いて検証データについて押出ピーク値の予測値を算出し（ステップＳ４）、算出された予測値と実測値との誤差を予測誤差として算出する（ステップＳ５）。次に、予測誤差が最小になるように順次線形重回帰分析を行う際の説明変数の数を減らしていくことによって、押出ピーク値を推定する上で最適な説明変数を決定する（ステップＳ６）。そして、これらステップＳ１〜６の処理を全ての炭化室について行うことによって（ステップＳ７）、炭化室毎に押出ピーク値の推定式を導出する。以後、押出ピーク値の推定式を用いて炭化室毎にコークスを押し出すために必要な押出力を算出し、オペレータは、算出された押出力に基づいて押出力を制御するか否かを炭化室毎に判断する。そして、押出力を制御する場合には、オペレータは、総炭化時間の延長や燃焼室温度の上昇などの複数の所定の処理のうちの少なくとも１つの処理を炭化室毎に実行する。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態であるコークスの押出力の推定方法は、総炭化時間に応じて押出力の実測値のデータを複数のグループに分類するステップと、各グループについて、押出力の実測値に対する予測誤差が最小となる説明変数の組み合わせを特定し、特定された組み合わせに基づいて押出力を推定する線形回帰推定式を構築するステップと、線形回帰推定式に基づいて炭化室からコークスを押し出す際に必要な押出力を推定するステップと、を含み、これらのステップをコークス炉を構成する複数の炭化室毎に実行するので、コークスを押し出す際に必要な押出力を炭化室毎に精度高く、且つ、容易に推定できる。

また、本発明の一実施形態であるコークス炉の操業方法は、本発明の一実施形態であるコークスの押出力の推定方法によって推定された押出力に基づいて押出力を制御するか否かを炭化室毎に判断し、押出力を制御する場合には、総炭化時間の延長や燃焼室温度の上昇などの複数の所定の処理のうちの少なくとも１つの処理を炭化室毎に実行するので、コークスの押し詰まりが発生することを抑制できる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、図９に示すコークスの押出力の推定方法の各ステップの実行命令をコンピュータプログラムによって記述することによって、図９に示すコークスの押出力の推定方法の各ステップをコンピュータに実行させるようにしてもよい。このように、本実施形態に基づいて当業者などによりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術などは全て本発明の範疇に含まれる。

１１ 炭化室
１１ａ，１１ｂ 炭化室壁
１２ 燃焼室
１３ 蓄熱室
１４ 装炭口
１５ 装炭車
１６ 押出機
１６ａ 押出ラム
１７ ガイド車
１８ 消火車
１９ 煉瓦
２０ バックステー

Claims (4)

1. 炭化室からコークスを押し出す際に必要な押出力の実測値のデータを、炭化室の総炭化時間が所定時間以上であるグループと所定時間未満であるグループとに分類するステップと、
   各グループについて、押出力の実績値のデータを検証データと式構築データとに分割し、式構築データについて押出力に寄与する複数の因子を用いた線形重回帰分析を行うことによって押出力を推定する線形回帰推定式を導出し、導出された線形回帰推定式を用いて検証データについて押出力の予測値を算出し、算出された押出力の予測値と実績値との誤差を予測誤差として算出し、算出された予測誤差が最小になるように順次線形重回帰分析を行う際の因子の数を減らしていくことによって、押出力を推定する上で最適な因子の組み合わせを特定し、特定された組み合わせに基づいて前記押出力を推定する線形回帰推定式を構築するステップと、
   構築された線形回帰推定式に基づいて炭化室からコークスを押し出す際に必要な押出力を推定するステップと、
   を含み、
   これらのステップをコークス炉を構成する複数の炭化室毎に実行すること
   を特徴とするコークスの押出力の推定方法。
2. 前記総炭化時間が所定時間未満のグループについては、少なくとも炭化室の総炭化時間、燃焼室内の温度、及び炭化室の炉壁とコークスとの間の間隙の大きさを含む前記因子の組み合わせを用いて前記線形回帰推定式を構築することを特徴とする請求項１に記載のコークスの押出力の推定方法。
3. 前記総炭化時間が所定時間以上のグループについては、少なくとも燃焼室内の温度、炭化室の炉壁に付着したカーボンを剥離させてからの経過日数、及びコークスの流動度を含む前記因子の組み合わせを用いて前記線形回帰推定式を構築することを特徴とする請求項１又は２に記載のコークスの押出力の推定方法。
4. 請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載のコークスの押出力の推定方法によって推定された押出力に基づいて押出力を制御するか否かを炭化室毎に判断し、押出力を制御する場合には、総炭化時間を延長する処理及び燃焼室温度を上昇させる処理の少なくとも一方の処理を炭化室毎に実行するステップを含むことを特徴とするコークス炉の操業方法。