JP5605091B2 - コークス炉におけるコークス押出負荷の推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば水平室式コークス炉のコークス押出し時において、特に、炭化室の炉壁に損傷がある場合に、乾留後のコークスケーキを炭化室から押出す際、押出し機および炉壁がそれぞれ受ける負荷を推定する方法に関するものである。

近年のコークス炉操業では、コークス品質及び生産性の向上を狙って炭化室内へ装入する石炭の水分を低減させる方法が多く取り入れられている。その結果、石炭の装入（充填）密度が上昇する傾向にあり、コークスケーキを押し出す際に、炭化室の側壁（炉壁）にかかる荷重が上昇し、これにともないコークス押出し負荷も増加する傾向にある。
また、建設されて３０年以上が経過して炉体の老朽化が進展しているコークス炉も増えており、そのような長期間稼動しているコークス炉の炭化室では、炉壁や炉底で損傷（凹凸、煉瓦角欠け、表面肌荒れ、等）が進展している。

その結果、炭化室からコークスケーキを押出す際に、炉壁面とコークスケーキ表面との間の相互作用が大きくなり、押出しに必要な力や炉壁に作用する荷重がさらに増加している。
操業条件の変化によってコークスケーキと炉壁面との隙間が小さくなったり、炉壁の損傷などにより局所的に炉壁の強度が低下していると、押出しに必要な力が押出し機の能力を上回ったり、押出し中に炉壁煉瓦が破孔するなど、大きなトラブルにつながる可能性が著しく増大する。
このため、炭化室からコークスケーキを押出すのに必要な力や炉壁に作用する荷重（炉壁押し圧）を事前に評価し、押出し機や炭化室の炉壁に過度の荷重が付加されないようにすることがより重要になっている。

コークス炉の炭化室からコークスケーキを押出す際に必要となる力は、非特許文献１に示されているように、コークスケーキを移動させるときに、炉壁や炉底から受ける抵抗で決まるものであり、その抵抗を決める具体的な要因として、炭化室の炉壁面や炉底面の凹凸、炉壁煉瓦表面や炉底煉瓦表面の粗度（摩擦係数）、炉壁の強度（押出し時の炉壁の変位）などがあるが、このうち、炉壁表面に形成された凹凸の影響が最も大きいと考えられる。

このような状況の中で、特許文献１などに示されるように、炭化室炉壁の形状を炉壁面の炉長方向及び炉高方向、炉壁面の厚み方向を３次元的に測定し、炉壁面のプロファイルを定量的に把握する技術が開発されて、炭化室炉壁の補修やコークスケーキ押出し力の推定に炉壁プロファイル情報を用いることができるようになってきた。

本発明者らも、特許文献２、３のように、炉壁に形成された凹凸が、コークスケーキ押出し力や炉壁荷重に与える大きさを測定する押出負荷測定装置を開発し、その装置を用いたコークスケーキ押出し試験によって、炉壁に存在する凹凸が押出負荷に与える影響を評価し、さらに、炉壁プロファイル情報から得られた炉壁凹凸の形状や位置のデータから、炉壁に局所的に存在する個々の凹凸が押出し力や炉壁荷重に与える影響を評価する技術や、特許文献４のように、個々の凹凸の影響を炉壁全体に広げて、コークスケーキ全体の押出負荷を推定する技術を開発してきた。

さらに、本発明者らは、このような凹凸の影響について、個々の凹凸の形状や凹凸の存在位置を数値化した「抵抗指数」が押出し力と良好に対応していることを見出し、特許文献５に示される技術を開発している。
この技術では、炭化室の炉壁面を複数の領域に区分けし、炭化室の炉壁面のプロファイルから、区分けした領域に凹凸がある場合に、コークスの押出し時に、その凹凸によってコークスが受ける局所的な抵抗を、局所抵抗指数として指標化し、導出した局所抵抗指数を集計して炭化室の炉壁面全体における抵抗指数を導出し、予め求められた抵抗指数と押出負荷との関係からコークスケーキの押出負荷を求めるようにしている。

以上のような技術によって、押出し機で炭化室から乾留後のコークスケーキを押出すのに必要な力や炉壁に作用する力（又は、押し圧）を評価する精度は向上してきたが、本発明者らは、さらに精度の向上を目指して、炉壁プロファイルデータを詳細に解析した。
その結果、長期稼働のコークス炉炭化室の炉壁面や炉底面には、凹凸の他にも肌荒れ（微小凹凸）や煉瓦の欠損が数多く認められ、それらがコークスケーキの押出し力や炉壁押し圧を増加させる原因になっていることが予想された。

図４に、特許文献１に記載されているコークス炉炭化室の炉壁面診断補修装置によって得られた、コークス炉炭化室の炉壁プロファイルの一例を示すが、炉壁面に健全な煉瓦基準面からの高さ又は深さが６ｍｍ以下の微小凹凸や欠損の存在が認められる。
従来、これらの損傷がコークスケーキの押出し力に与える影響を定量的に評価する手法は開示されていない。

ＷＯ００−５５５７５号公報 特開２００８−２０８３３７号公報 特開平２００９−２０９２９０号公報 特開平２００８−３０３２３９号公報 特開２００８−２０１９９３号公報

「Ironmaking Conference Proceedings」 AIME、１９９８年、１１５５−１１５９頁

そこで、本発明では、コークス炉の炭化室炉壁面の表面状態が、コークスケーキの押出し力や炉壁押し圧にどのような影響を与えるかを評価して、実コークス炉炭化室の炉壁形状を測定して得られた炉壁プロファイル情報から、コークスケーキ押出し時の押出し力や炉壁押し圧を精度よく推定することができるようにすることを課題とする。

長期間稼動したコークス炉の炭化室において確認されている炉壁面の耐火煉瓦の肌荒れ（微小凹凸）がコークス押出負荷に与える影響について検討した。炉壁面の耐火煉瓦の微小凹凸を模擬的に再現した側壁を作成し、これを前述の押出負荷測定装置に取り付けて、側壁の表面粗さの程度がコークス押出負荷に与える影響について調べた。
その結果、炉壁面の表面粗さの程度を、表面粗さパラメータの一つである表面波形Ｐｚ（断面曲線の最大高さ）で表した場合、コークス押出負荷は、炉壁面における表面波形Ｐｚの値と指数関数的な関係にあるという知見を得た。
そして、前述の炉壁面診断補修装置で得られた炉壁面の表面プロファイルより、炉壁面に存在する微小凹凸領域の表面波形Ｐｚを求め、予め求めておいた表面波形Ｐｚとコークス押出負荷との関係を用いて、炉壁の微小凹凸領域に由来するコークス押出負荷を推定するようにして上記課題を解決した。

そのような本発明の要旨は、次のとおりである。
（１） 炭化室の炉壁に相当する側壁に、健全な側壁基準面からの高さ又は深さが６ｍｍ以下の微小凹凸を形成した押出負荷測定装置を用いた試験用コークスケーキの押出し試験によって、前記微小凹凸に起因するコークス押出負荷を測定し、測定されたコークス押出負荷に基づいて、実コークス炉炭化室の炉壁に存在する、健全な煉瓦基準面からの高さ又は深さが６ｍｍ以下の微小凹凸領域に起因するコークス押出負荷を推定する方法であって、
前記側壁に形成された微小凹凸の表面粗さを表す表面波形Ｐｚと前記測定されたコークス押出負荷に基づいて、表面波形Ｐｚとコークス押出負荷との関係を予め求めておき、
実コークス炉炭化室における炉壁のプロファイル情報から、該炉壁に存在する前記微小凹凸領域の表面波形Ｐｚを求め、
得られた実コークス炉の表面波形Ｐｚから、前記予め求めておいた表面波形Ｐｚとコークス押出負荷との関係に基づいて、実コークス炉炭化室における前記微小凹凸領域に起因するコークス押出負荷を求めることを特徴とするコークス押出負荷の推定方法。
（２） 前記押出し試験において、試験用コークスケーキに作用する押出し力に対抗する反力の値および試験用のコークスケーキに載置する錘の重量を変化させることにより、炉壁面内における前記微小凹凸領域の炉長方向および炉高方向の存在位置と関連して表面波形Ｐｚとコークス押出負荷との関係を予め求めておき、
前記炉壁のプロファイル情報から、さらに前記微小凹凸領域の炉長方向および炉高方向の存在位置を求め、
前記予め求めておいた微小凹凸領域の炉長方向および炉高方向の存在位置に関連した表面波形Ｐｚとコークス押出負荷との関係に基づいて、炉長方向および炉高方向における個々の微小凹凸領域に起因するコークス押出負荷を推定することを特徴とする上記（１）に記載のコークス押出負荷の推定方法。
（３） 前記炉壁のプロファイル情報から、実コークス炉炭化室におけるコークス押出負荷を求めるにあたり、上記（２）に記載の方法により推定された炉長方向および炉高方向における個々の微小凹凸領域に起因するコークス押出負荷を、炉壁の凹凸情報に基づいて推定される押出負荷に加算することを特徴とするコークス押出負荷の推定方法。

本発明によれば、炉壁のプロファイル情報から得られた炉壁の微小凹凸の存在状態を考慮して、コークスケーキ押出し時におけるコークス押出負荷を精度よく推定することができるようになる。

コークス押出負荷測定試験によって得られた、炉壁表面の表面粗さ指数とコークス押出負荷との関係を示す図であり、（ａ）は（押出し力−反力）と表面波形Ｐｚとの関係を、（ｂ）は壁押し圧と表面波形Ｐｚとの関係をそれぞれ示す。 コークス押出負荷測定試験によって得られた、炉壁表面の摩擦係数とコークス押出負荷との関係を示す図であり、（ａ）は（押出し力−反力）と摩擦係数との関係を、（ｂ）は壁押し圧と摩擦係数との関係をそれぞれ示す。 炉壁に微小凹凸が存在する場合を想定したコークス押出し負荷測定試験の概略を説明するための図である。 炉壁面診断補修装置によって得られた炉壁プロファイルの一例を示す図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
コークス炉の炭化室からコークスケーキを押出す際には、押出し機ラムによってコークスケーキに付加された押出方向の力の一部が側圧として炉壁面に作用する（例えば、非特許文献１参照）。炉壁に微小凹凸が存在すると、コークス表面と炉壁面の間の摩擦力が増大し、それにともなってコークスケーキの押出し力と炉壁押し圧も増大する。そのため、微小凹凸による影響を評価することが必要である。

そこで、本発明者らは、小型電気乾留炉を用いて石炭を乾留して試験用コークスケーキを製造し、特許文献２、３に示されるような押出負荷測定装置を用いて、試験用コークスケーキの押出負荷測定試験を実施した。図３に、測定装置および試験の概略を示す。

この装置では、試験用コークスケーキ１の前後に押出し側と受け側の当て板４、５を配置し、それぞれの当て板を油圧シリンダ（図示せず）に接続して、試験用コークスケーキ１に対し押出し力Ｆｐと、コークス炉炭化室の炉長方向の想定位置に応じた一定の反力Ｆｒを加えながら、試験用コークスケーキ１を押出すようになっており、また、コークスケーキ１の両側面には、コークス炉の炭化室炉壁に相当する左右の側面パネル２、３を油圧シリンダ（図示せず）を介して保持するようになっている。

ここで、押出し力Ｆｐに対して反力Ｆｒを付加するのは次の理由による。
実コークス炉では炭化室のＰＳ（押出し機側）からＣＳ（コークガイド車側）に行くにしたがって、炉幅が徐々に広がるテーパー構造となっている場合があり、ＰＳからＣＳにかけて炉長方向にコークスケーキ内を伝達する力（または、圧力）が減少する。あるいは、炉幅がテーパー構造となっていない場合でも、押出し力の一部は炉壁方向に分散することにより、コークスケーキ内を伝達する力が同様に減少する。この炉長方向の位置の違いによるコークスケーキに作用する力（または、圧力）の違いを擬似的に再現するために、炉長方向の位置を想定した反力を付加するようにしている。

なお、炉長方向の位置の違いによる反力Ｆｒの値は、実コークス炉における押出し力ＦｐｓとＰＳ端からの距離ｘに基き設定することができる。すなわち、コークスケーキのＰＳ端で発生した押出し力ＦｐｓはＣＳ端に向かって直線的に減衰し、ＣＳ端でゼロになると考えると、ＰＳ端から任意の距離ｘにおける反力Ｆｒ（ｘ）は、Ｆｒ（ｘ）＝Ｆｐ（１−ｘ／Ｌ）で求められる。ただし、Ｌは炉長方向のコークスケーキ長さである。

試験用コークスケーキ１の押出し時の押出し力Ｆｐと反力Ｆｒの測定は、当て板４、５の外側にロードセル（図示せず）を複数個設置して行う。また、側面パネル２、３の外側にも同様にロードセルを設置し、押出し時にコークスケーキにより側面パネル２、３が受ける壁押し力Ｆｗを測定する。

炭化室の炉壁表面の肌荒れを想定したコークス押出し負荷測定試験を実施するには、図３に示すように、煉瓦の肌荒れを想定した表面粗さを有する側壁材６、７を側面パネル２、３に取付ける。
本試験では、側壁材としては、多孔質カーボン、珪石煉瓦、サンドブラスト処理した珪石煉瓦、錆御影敷石 、およびビシャン加工した御影石の５種類を用いたが、コークス炉炭化室の表面状態を再現できるなら、どのような材料でも良いことは言うまでもない。

側壁材として用いた材料の表面状態を評価するため、表面粗さと静止摩擦係数を測定した。表面粗さを評価するための指数として断面曲線の最大高さで定義される表面波形Ｐｚを選択し、ＪＩＳ法の定義（JIS B0601：2001）に準拠する方法で測定した。すなわち、多孔質カーボンと珪石煉瓦は触針式の測定法を用い、残りは、レーザ距離計を用いた非接触式の測定法を用いて測定した。
また、静止摩擦係数は、各材料の表面に一個のコークス塊を乗せて徐々に傾斜させていき、コークス塊が動き始めた瞬間の傾斜角度を読み取る傾斜法によって算出した。
上記側壁材の表面波形Ｐｚと静止摩擦係数の値の例を表１に示す。

上記のコークスケーキの押出負荷測定装置を用いた押出し試験においては、まず、石炭を小型電気乾留炉で乾留して得られた所定サイズ（例えば、長さ６００×高さ３７０×幅４３０mm）の試験用コークスケーキ１を、装置の側壁材６、７及び押し側および受け側の当て板４、５で囲まれる空間に配置する。
その際、コークスケーキ１を構成するコークス塊と側壁材６、７の間の空隙量を、実コークス炉の実態に合わせて所定の値に調整しておく。

このようにするのは、実コークス炉では、乾留中に、コークスが炉幅方向に収縮することにより、炉壁面とコークスとの間に隙間が形成されるためである。この空隙量の値としては、特に規定するものではないが、実コークス炉でのコークスと片側の炉壁との空隙量の代表的な値として２．５ｍｍ程度が例示できる。

次に、図示しない押出し用油圧シリンダ装置を作動させ、当て板４を介してコークスケーキ１に押出し力Ｆｐを付与するとともに、反力付加用油圧シリンダによって当て板５を介して一定の反力Ｆｒを作用させながら押出しを開始する。
押出しの開始後、コークスケーキ１は、（押出し力−反力）の力によって移動する。その際に、各ロードセルにより、側面パネル５、５にかかる壁押し力Ｆｗ、押出し力Ｆｐ、及び、反力Ｆｒのそれぞれを連続的に測定する。

なお、押出し用油圧シリンダにより試験用のコークスケーキ１に押出し力を作用する際には、コークスケーキ１に作用する反力Ｆｒが一定になるように、反力付加用油圧シリンダを制御する。上述したように、この一定とする反力の設定値を変更（この反力の設定値により押出し力も変化する）することにより、実コークス炉におけるコークスケーキ１の炉長方向の想定位置を変えることができ、微小凹凸部が炉長方向の任意の位置にある場合での、コークス押出負荷を評価することができる。
また、コークスケーキ１の上部に積載する錘の重量を変えることにより、実コークス炉におけるコークスケーキ１の炉高方向の想定位置を変えることができ、炉高方向の任意の位置でのコークス押出負荷を評価することができる。

上記の側壁材をそれぞれ用いて試験を実施して得られたコークス押出し力（＝押出し力−反力）および炉壁面押し圧の最大値と、それぞれの側壁材の表面波形Ｐｚとの関係を図１（ａ）（ｂ）に示す。
なお、図１において、横軸の表面波形Pzは、その値が大きいほど、表面が粗いことを意味する。また、図中の符号は、１：多孔質カーボン、２：珪石煉瓦、３：サンドブラスト処理した珪石煉瓦、４：錆御影敷石 、５：ビシャン加工した御影石をそれぞれ示している。

図１より、コークス押出し力および壁面押し圧のいずれも、表面が粗くなると負荷が増加することがわかる。得られたデータを指数関数で近似したところ、図１中に実線で示すように強い相関が得られた。図１には、得られた近似式と決定係数Ｒ^２の例を付記した。決定係数Ｒ^２は、その値が大きいほど相関が強いことを意味している。
なお、図２（ａ）（ｂ）に、静止摩擦係数とコークス押出負荷との関係を示すが、表面波形Ｐｚの場合と同様に表面が粗くなると押出負荷が上昇する傾向を示すが、表面波形Ｐｚの方が摩擦係数よりも明瞭な相関が認められる。摩擦係数よりも表面波形Ｐｚの方が、押出し抵抗をより的確に標記できる指数であることがわかる。

したがって、実コークス炉で使用する装入炭を用いて小型電気乾留炉で試験用コークスケーキを作成し、上記のような押出負荷測定装置に、上記のような種々の表面波形Ｐｚの微小凹凸を有する側壁材を取り付けて、側壁材毎に、試験用コークスケーキの押出し負荷測定試験を行う。炉壁に存在する微小凹凸は、コークス炉炭化室の炉壁の炉長さ方向および炉高さ方向の存在位置によって、押出負荷に与える影響が変化するため、微小凹凸の存在位置を想定した試験を行うために、コークスケーキに作用させる反力とコークスケーキ上部に積載する錘の重量（荷重）を、想定位置に応じたものに変えて押出し負荷測定試験を行い、押出し力と側壁が受ける荷重を測定する。
得られた測定値を基に、所定面積あたりの微小凹凸領域について、その表面波形Ｐｚと押出負荷との関係を、その微小凹凸領域の炉壁面内の存在位置（炉壁の炉長さ方向および炉高方向の位置）と関連させて求めておく。

そして、実コークス炉の炭化室における炉壁プロファイルの測定データから微小凹凸領域の存在が認められた場合、個々の微小凹凸領域の面積、表面波形Ｐｚおよび該微小凹凸領域が存在する位置から、予め求めておいた表面波形Ｐｚと押出負荷との関係に基づき、コークス押出し時の個々の微小凹凸領域に起因する押出負荷を推定するようにする。

また、以上のようにして求めた、炉壁に存在する個々の微小凹凸領域に起因する押出負荷を、実コークス炉の炭化室からコークスケーキ全体を押出す際の押出負荷の推定に利用するには、炉壁の凹凸情報を用いて公知の方法で推定されたコークス押出負荷に、微小凹凸領域に起因する押出負荷を加算すればよく、例えば、特許文献５に記載の押出負荷の推定方法に適用するには、次のようにする。

すなわち、特許文献５では、炭化室の炉壁面を炉長さ方向および炉高さ方向の複数の領域に区分けし、炭化室の炉壁面のプロファイルから区分けした領域ごとの凹凸情報を求め、区分けした領域に凹凸がある場合に、コークスケーキの押出時に、その凹凸によってコークスケーキが受ける局所的な抵抗を局所抵抗指数として指標化し、導出した局所抵抗指数を集計して炭化室の炉壁面全体における抵抗指数を導出し、予め求めておいた抵抗指数と押出負荷との関係からコークス押出負荷を求めるようにしている。
その際に、さらに、以上のようにして求めた炉長方向および炉高方向の複数の領域における微小凹凸による押出負荷を、炉壁凹凸と同様に指数化して、微小凹凸がある領域の局所抵抗指数に加算すればよい。

微小凹凸によるコークス押出負荷を考慮しない場合には、押出負荷の予測値が、実際の押出負荷よりも小さく評価される可能性がある。そのような評価に基づいて、コークス押出条件（炭化室からコークスケーキを押し出すタイミング）を設定した場合、過大なコークス押出負荷が発生し、押し詰まりや炉壁損傷が発生する危険性が生じる。
これに対して、上述したように、本発明法で求められる炉壁の局所領域の微小凹凸による押出負荷の影響を加算すれば、コークス押出負荷の予測精度をより一層向上させることができ、前記のような操業上のトラブルが発生する可能性を低下させることができる。

１ 試験用のコークスケーキ
２、３ 側面パネル
４ 押出し側当て板
５ 受け側当て板
６、７ 側壁材
Ｆｐ 押出し力
Ｆｒ 反力（受け力）
Ｆｗ 壁押し力

Claims (3)

1. 炭化室の炉壁に相当する側壁に、健全な側壁基準面からの高さ又は深さが６ｍｍ以下の微小凹凸を形成した押出負荷測定装置を用いた試験用コークスケーキの押出し試験によって、前記微小凹凸に起因するコークス押出負荷を測定し、測定されたコークス押出負荷に基づいて、実コークス炉炭化室の炉壁に存在する、健全な煉瓦基準面からの高さ又は深さが６ｍｍ以下の微小凹凸領域に起因するコークス押出負荷を推定する方法であって、
   前記側壁に形成された微小凹凸の表面粗さを表す表面波形Ｐｚと前記測定されたコークス押出負荷に基づいて、表面波形Ｐｚとコークス押出負荷との関係を予め求めておき、
   実コークス炉炭化室における炉壁のプロファイル情報から、該炉壁に存在する前記微小凹凸領域の表面波形Ｐｚを求め、
   得られた実コークス炉の表面波形Ｐｚから、前記予め求めておいた表面波形Ｐｚとコークス押出負荷との関係に基づいて、実コークス炉炭化室における前記微小凹凸領域に起因
   するコークス押出負荷を求めることを特徴とするコークス押出負荷の推定方法。
2. 前記押出し試験において、試験用コークスケーキに作用する押出し力に対抗する反力の値および試験用のコークスケーキに載置する錘の重量を変化させることにより、実コークス炉炭化室の炉壁面内における前記微小凹凸領域の炉長方向および炉高方向の存在位置と関連して表面波形Ｐｚとコークス押出負荷との関係を予め求めておき、
   前記炉壁のプロファイル情報から、さらに前記微小凹凸領域の炉長方向および炉高方向の存在位置を求め、
   前記予め求めておいた微小凹凸領域の炉長方向および炉高方向の存在位置に関連した表面波形Ｐｚとコークス押出負荷との関係に基づいて、実コークス炉炭化室の炉壁に存在する個々の微小凹凸領域に起因するコークス押出負荷を推定することを特徴とする請求項１に記載のコークス押出負荷の推定方法。
3. 前記炉壁のプロファイル情報から、実コークス炉炭化室におけるコークス押出負荷を求めるにあたり、請求項２に記載の方法により推定された炉長方向および炉高方向における個々の微小凹凸領域に起因するコークス押出負荷を、炉壁の凹凸情報に基づいて推定された押出負荷に加算することを特徴とするコークス押出負荷の推定方法。