JP5673188B2 - コークス押出力推定方法及びコークス炉の操業ガイダンス方法 - Google Patents

Description

本発明は、コークス炉からコークスを押し出すために必要な押出力を推定するコークス押出力推定方法、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の操業を支援するコークス炉の操業ガイダンス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詰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、一部の炭化室で押詰りが発生すると、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、押詰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、押詰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

しかしながら、従来の技術では、コークスの押出性を推定する推定式を構築する際、推定式の形式を線形式と仮定したり、推定式の形式を非線形式とした場合であっても、基底となる関数形を固定したりしている。このため、従来の技術によれば、操業条件とコークスの押出性との非線形性を適切に表現できない場合や、未知のパラメータの調整に多くの労力を必要とする場合がある。特に、炭化室の老朽化に伴い炭化室の性状のばらつきが大きくなると炭化室毎に推定式を管理することが必要になるために、パラメータの調整に要する労力は膨大なものになることが予想される。また、近年、炭化室の定期的な補修によって炭化室の経時変化が顕著になっていると考えられるために、炭化室の経時変化に追従するようにパラメータを逐次調整しなければならず、多くの労力が必要になる。このような背景から、パラメータの調整に多くの労力を要することなく、コークスの押出性を精度よく推定可能な技術の提供が期待されていた。

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、パラメータの調整に多くの労力を要することなく、コークス炉からコークスを押し出すために必要な押出力を精度よく推定可能なコークス押出力推定方法、及びコークスの押詰りが発生することを抑制可能なコークス炉の操業ガイダンス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押出力推定方法は、コークス炉からコークスを押し出すために必要な押出力を推定するコークス押出力推定方法であって、予測対象のコークス炉の操業条件と過去のコークス炉の操業条件との類似度に応じた重みを第１の重みとして算出するステップと、予測対象のコークス炉の操業条件が入力された日時と過去のコークス炉の操業条件でコークス炉の操業が行われた日時との時間差に応じた重みを第２の重みとして算出するステップと、過去のコークス炉の操業条件と該操業条件でコークス炉の操業が行われた時の前記押出力とに前記第１及び第２の重みを乗算し、該第１及び第２の重みが乗算された操業条件及び押出力をそれぞれ説明変数及び目的変数として重回帰分析を行うことにより、操業条件と押出力との関係を示す局所回帰式を構築するステップと、前記局所回帰式を用いて予測対象のコークス炉の操業条件でコークス炉を操業した際にコークスを押し出すために必要な押出力を推定するステップと、を含む。

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ガイダンス方法は、本発明に係るコークス押出力推定方法によって構築された局所回帰式を用いて、前記操業条件と前記押出力との関係を示す情報を出力するステップを含む。

本発明に係るコークス押出力推定方法によれば、パラメータの調整に多くの労力を要することなく、コークス炉からコークスを押し出すために必要な押出力を精度よく推定することができる。本発明に係るコークス炉の操業ガイダンス方法によれば、コークスの押詰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押出力推定方法及びコークス炉の操業ガイダンス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押出力推定方法及びコークス炉の操業ガイダンス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、本発明の一実施形態であるコークス押出力推定方法及びコークス炉の操業ガイダンス方法を実現するコークス押出力推定装置の構成を示すブロック図である。 図４は、コークスの押出抵抗を支配する因子の因果関係を示す図である。 図５は、本発明の一実施形態であるコークス押出力推定処理の流れを示すフローチャートである。 図６は、局所回帰式によって予測された押出力と実際の押出力との関係の一例を示す図である。 図７は、局所回帰式によって予測された押出力と乾留時間との関係の一例を示す図である。 図８は、局所回帰式によって予測された押出力と装炭量との関係の一例を示す図である。

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押出力推定方法及びコークス炉の操業ガイダンス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押出力推定方法及びコークス炉の操業ガイダンス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押出力推定方法及びコークス炉の操業ガイダンス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押出力推定方法及びコークス炉の操業ガイダンス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押出力推定方法及びコークス炉の操業ガイダンス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を備えている。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押出力推定方法及びコークス炉の操業ガイダンス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を有している。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。

〔コークス押出力推定装置の構成〕
次に、図３，図４を参照して、本発明の一実施形態であるコークス押出力推定方法及びコークス炉の操業ガイダンス方法を実現するコークス押出力推定装置の構成について説明する。

図３は、本発明の一実施形態であるコークス押出力推定方法及びコークス炉の操業ガイダンス方法を実現するコークス押出力推定装置の構成を示すブロック図である。図３に示すように、本発明の一実施形態であるコークス押出力推定方法及びコークス炉の操業ガイダンス方法を実現するコークス押出力推定装置は、情報処理装置１０１，入力装置１０２，出力装置１０３，及び操業条件データベース（ＤＢ）１０４を主な構成要素として備えている。

情報処理装置１０１は、パーソナルコンピュータやワークステーション等の汎用の情報処理装置によって構成され、ＲＡＭ１１１，ＲＯＭ１１２，及びＣＰＵ１１３を備えている。ＲＡＭ１１１は、ＣＰＵ１１３が実行する処理に関する制御プログラムや制御データを一時的に記憶し、ＣＰＵ１１３のワーキングエリアとして機能する。ＲＯＭ１１２は、情報処理装置１０１全体の動作を制御する制御プログラム１１２ａと制御データとを記憶している。ＣＰＵ１１３は、ＲＯＭ１１２内に記憶されている制御プログラム１１２ａに従って情報処理装置１０１全体の動作を制御する。入力装置１０２は、キーボード，マウスポインタ，テンキー等の入力装置によって構成され、情報処理装置１０１に対して各種情報を入力する際に操作される。出力装置１０３は、表示装置や印刷装置等の出力装置によって構成され、情報処理装置１０１の各種処理情報を出力する。

操業条件ＤＢ１０４は、コークスの押出力の評価指標の実績値とその時の操業条件の実績値とを炭化室毎に関連付けして記憶している。本実施形態では、コークスの押出力の評価指標として、図１に示す押出機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。このように押出ピーク値は押詰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コークスの押出力の評価指標とする。

図４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４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（炉壁間隙），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、配合した石炭の性状（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）に依存すると考えられる。そこで、本実施形態では、操業条件の実績値として、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），乾留時間，水分，装炭量，及び前回の処理における押出ピーク実績値を用いる。

〔コークス押出力推定方法〕
次に、図５を参照して、本発明の一実施形態であるコークス押出力推定方法について説明する。

図５は、本発明の一実施形態であるコークス押出力推定処理の流れを示すフローチャートである。図５に示すフローチャートは、オペレータが入力装置１０２を操作することによって、予測対象の操業条件を入力し、情報処理装置１０１に対しコークス押出力推定処理の実行を指示したタイミングで開始となる。このコークス押出力推定処理は、ＣＰＵ１１３がＲＯＭ１１２内に記憶されている制御プログラム１１２ａを実行することによって実現される。

ステップＳ１の処理では、ＣＰＵ１１３が、入力装置１０２を介して入力された予測対象の操業条件の値及び操業条件ＤＢ１０４に格納されている操業条件の実績値を標準化する。この標準化処理は、後述する処理において同じ指標で操業条件同士の類似度を定義可能にするために行われる処理である。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、コークス押出力推定処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、ＣＰＵ１１３が、操業条件ＤＢ１０４に格納されている各操業条件について、予測対象の操業条件の値と操業条件の実績値との類似度を算出し、以下に示す数式（１）を用いて算出された類似度に応じた重みＡ［ｉ］（ｉ＝１〜Ｎ，Ｎはデータ数）を定義する。なお、数式（１）中、パラメータｘ［ｉ］は、標準化後の操業条件の実績値を並べたベクトルであり、パラメータｘは、予測対象の操業条件の値を並べたベクトルであり、パラメータａは調整可能な重みパラメータである。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、コークス押出力推定処理はステップＳ３の処理に進む。
Ａ［ｉ］＝ｅｘｐ（−ａ×｜ｘ−ｘ［ｉ］｜＾２） …（１）

ステップＳ３の処理では、ＣＰＵ１１３が、操業条件ＤＢ１０４に格納されている各操業条件について、予測対象の操業条件の入力日時と操業条件の実績値が取得された日時との時間差を算出し、以下に示す数式（２）を用いて算出された時間差に応じた重みＢ［ｉ］（ｉ＝１〜Ｎ，Ｎはデータ数）を定義する。なお、数式（２）中、パラメータｄａｔｅ［ｉ］は、ｉ番目の操業条件の実績値が取得された日時を示し、パラメータｄａｔｅは、予測対象の操業条件の値が入力された日時であり、パラメータＣは調整可能な忘却係数である。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、コークス押出力推定処理はステップＳ４の処理に進む。
Ｂ［ｉ］＝ｅｘｐ（−（ｄａｔｅ−ｄａｔｅ［ｉ］）／Ｃ） …（２）

ステップＳ４の処理では、ＣＰＵ１１３が、操業条件ＤＢ１０４に格納されている押出ピーク値の実績値と操業条件の実績値とにステップＳ２及びステップＳ３の処理で定義された重みＷ（＝Ａ［ｉ］×Ｂ［ｉ］）を乗算した後、押出ピーク値の実績値と操業条件の実績値とをそれぞれ目的変数及び説明変数として通常の重回帰分析を行うことによって、押出ピーク値と操業条件との関係を示す例えば以下の数式（３）に示すような局所回帰式を算出する。そして、ＣＰＵ１１３は、算出された局所回帰式を用いて予測対象のコークス炉の操業条件でコークス炉を操業した際にコークスを押し出すために必要な押出力を推定する。
Ｙ＝ａＸ１＋ｂＸ２＋ｃＸ３＋ｄＸ４＋ｅＸ５＋ｆ （３）

なお、数式（３）中、パラメータＹは押出ピーク値を示し、パラメータＸ１〜Ｘ５は操業条件を示し、パラメータａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは重回帰分析によって求められる係数を示す。重みＷを乗算した後に重回帰分析を行うことによって、類似度が高いものほど、また直近のデータを重視した回帰分析が可能になる。実際、この処理によって算出された局所回帰式を用いて押出力を推定したところ、図６に示すように、予測された押出力は実績の押出力（実測押出力）とよく合致した。なお、図６に示す例では、数式（１）中の重みパラメータａの値を１０^−４とし、数式（２）中の忘却係数Ｃの値を１００とした。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、一連のコークス押出力推定処理は終了する。

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押出力推定処理では、ＣＰＵ１１３が、予測対象のコークス炉の操業条件と過去のコークス炉の操業条件との類似度に応じた重みＡ［ｉ］を算出し、予測対象のコークス炉の操業条件が入力された日時と過去のコークス炉の操業条件でコークス炉の操業が行われた日時との時間差に応じた重みＢ［ｉ］を算出し、過去のコークス炉の操業条件とその操業条件でコークス炉の操業が行われた時の押出力とに重みＡ［ｉ］及び重みＢ［ｉ］を乗算し、重みＡ［ｉ］及び重みＢ［ｉ］が乗算された操業条件及び押出力をそれぞれ説明変数及び目的変数として重回帰分析を行うことにより、操業条件と押出力との関係を示す局所回帰式を構築するので、パラメータの調整に多くの労力を要することなく、コークス炉からコークスを押し出すために必要な押出力を精度よく推定することができる。

〔コークス炉の操業ガイダンス方法〕
次に、図７，８を参照して、本発明の一実施形態であるコークス炉の操業ガイダンス方法について説明する。

一般に、コークス炉の操業では、オペレータは、コークスの押詰りが発生することを抑制するために、乾留時間を延長したり、装炭量を低減（軽装）したりする。そこで、本発明の一実施形態であるコークス炉の操業ガイダンス方法では、ＣＰＵ１１３が、コークスの押出力推定処理によって導出された局所回帰式を用いて乾留時間及び装炭量とコークス炉からコークスを押し出す際に必要な押出力との関係を炭化室毎に算出し、算出された関係を出力装置１０３に出力する。図７は、炭化室毎の乾留時間と押出力との関係の一例を示す図である。図７に示すように、押出力は乾留時間に大きく影響し、また炭化室毎にその影響度が大きく異なることがわかる。従って、このような関係をオペレータに提示することによって、オペレータは押詰りが発生した際に乾留時間をどの程度延長すれば押詰りを回避できるのかを判断することができる。

一方、図８は、炭化室毎の装炭量と押出力との関係の一例を示す図である。図８に示すように、コークスの押詰りを抑制する上で軽装が有効である炭化室と有効でない炭化室とがあることがわかる。一般に、軽装作業には、コークス炉の生産量が落ちる上に、炉壁にカーボンが付着しやすくなることによってコークス炉のメンテナンス周期が短くなるというデメリットがある。このため、軽装が有効である炭化室を中心に装炭量を低減させることが望ましい。従って、図８に示すような関係をオペレータに提示することによって、オペレータは、上述のようなデメリットが発生することを抑制しつつ押詰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。すなわち、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
１００ コークス押出力推定装置
１０１ 情報処理装置
１０２ 入力装置
１０３ 出力装置
１０４ 操業条件データベース（ＤＢ）
１１１ ＲＡＭ
１１２ ＲＯＭ
１１２ａ 制御プログラム
１１３ ＣＰＵ

Claims (3)

1. コークス炉からコークスを押し出すために必要な押出力を推定するコークス押出力推定方法であって、
   予測対象のコークス炉の操業条件と過去のコークス炉の操業条件との類似度に応じた重みを第１の重みとして算出するステップと、
   予測対象のコークス炉の操業条件が入力された日時と過去のコークス炉の操業条件でコークス炉の操業が行われた日時との時間差に応じた重みを第２の重みとして算出するステップと、
   過去のコークス炉の操業条件と該操業条件でコークス炉の操業が行われた時の前記押出力とに前記第１及び第２の重みを乗算し、該第１及び第２の重みが乗算された操業条件及び押出力をそれぞれ説明変数及び目的変数として重回帰分析を行うことにより、操業条件と押出力との関係を示す局所回帰式を構築するステップと、
   前記局所回帰式を用いて予測対象のコークス炉の操業条件でコークス炉を操業した際にコークスを押し出すために必要な押出力を推定するステップと、
   を含むことを特徴とするコークス押出力推定方法。
2. 請求項１に記載のコークス押出力推定方法によって構築された局所回帰式を用いて、前記操業条件と前記押出力との関係を示す情報を出力するステップを含むことを特徴とするコークス炉における操業ガイダンス方法。
3. 前記情報は、乾留時間と押出力との関係を示す情報と装炭量と押出力との関係を示す情報との少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項２記載のコークス炉における操業ガイダンス方法。

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