JP5720298B2 - コークスの押出力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、稼動年数が長くなるにつれて、炉壁の損耗などが進み、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起きている。

コークス炉における装炭、乾留、および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し、補修のために燃焼室の温度を下げると、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および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押出力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

上記のように、炭化室からコークスを押し出す際の押出力を推定する因子が多数知られているが、これら因子による押出力の推定精度は十分ではなかった。このため、炭化室からコークスを押し出す際の押出力の推定精度を向上させる新たな因子が望まれていた。

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、炭化室からコークスを押し出す際の押出力の推定精度を向上させることが可能なコークスの押出力推定方法、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。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るコークスの押出力推定方法は、乾留終了後の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、総炭化時間に応じて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、石炭を乾留することにより発生する発生ガスの、乾留開始後４時間から、乾留開始時刻から炭化室ごとの平均火落時間が経過した時刻より４時間前までの乾留中期における温度降下速度を含む複数の説明因子の中から、該説明因子の数を減らしながら順次線形重回帰分析を行って、前記押出力の実測値に対する予測誤差が最小となるように、発生ガスの前記乾留中期における温度降下速度を含む説明因子の組み合わせを特定し、特定された該説明因子の組み合わせに基づいて前記押出力を推定する推定式を構築するステップと、前記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、を含むことを特徴とする。

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推定方法により推定された押出力推定値に基づき、乾留終了後のコークスを押し出す際の押出力を制御することを特徴とする。

本発明に係るコークスの押出力の推定方法によれば、炭化室からコークスを押し出す際の押出力の推定精度を向上できる。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鉛直断面図である。 図３は、乾留工程の１サイクルにおける発生ガスの温度推移の典型例を示すグラフである。 図４は、発生ガス温度の温度推移とコークスの押出力との関係を示す図である。 図５は、乾留中期温度降下速度とコークスの押出力の実測値との関係をプロットしたグラフである。 図６は、コークスの押出力を支配する因子の因果関係を示す図である。 図７は、最大押出力値を推定する推定式を構築する方法の流れを示すフローチャートである。 図８は、最大押出力の実測値と推定値とをプロットしたグラフである。

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および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および２に示す構成に限定されることはない。

図１は、本発明の実施形態にかか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１の構成を示す斜視図である。図１に示すように、コークス炉１は、複数の炭化室２及び燃焼室３を有する。各炭化室２の天井部には、上昇管４および装炭口５が形成されている。

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１の構成を示す鉛直断面図である。図２に示されるように、炭化室２は、鉛直方向に高い形状をしており、両側に設けられた燃焼室３から加熱される構造である。すなわち、炭化室２内の装入された石炭は、両側に設けられた燃焼室３からの熱を受けてコークスへ乾留される。

図１の説明に戻る。複数の装炭口５は、コークス炉１の上部を走行する装炭車６によって運ばれた石炭を炭化室２内に装入するためのものである。押出機７は、乾留後にコークスを炭化室２から押し出す装置である。炭化室２から押し出されたコークスは、ガイド車８を経て消火車９に受け渡され、消火車９によって搬出される。炭化室２は、押出機７の押出ラム１０が挿入される入側窯口と赤熱コークスが押し出される出側窯口とを有する。上昇管４は、炭化室２内で乾留中の石炭から発生する発生ガスを回収する回収ラインである。上昇管４には熱電対が設けられており、時系列的に発生ガスの温度測定を行う。

発生ガスの温度を監視することは、炭化室２内の石炭の乾留状態を判断をする際に極めて重要である。なぜならば、一般的に火落ちと呼ばれる乾留の終了時には発生ガス量が減少し、結果的に発生ガス温度を測定する熱電対の測定温度が下がるからである。すなわち、発生ガス温度を監視することで乾留終了の判断が可能となる。この火落ちの判定方法としては、例えば発生ガスの最高温度Ｘと火落時の発生ガス温度Ｙとの間に関係式Ｙ＝ａＸ＋ｂが成立することを利用する方法、或いは火落時の石炭装入後の経過時間ｘと発生ガス温度ｙとの間に関係式ｙ＝ｄｘ＋ｅが成立することを利用する方法がある。なお、石炭装入から乾留終了までの時間は一般に「火落ち時間」と呼ばれる。実際の操業では、火落ち後、実際に押出しを実施するまでに２時間程度の時間があり、これを一般に置時間と呼ぶ。本明細書では火落ち時間に置時間を加えたものを「総炭化時間」と呼ぶことにする。

〔発生ガスの温度推移〕
次に、図３を参照して、上記炭化室２内で発生する発生ガスの温度推移について説明する。図３は、乾留工程の１サイクルにおける発生ガスの温度推移の典型例を示すグラフである。すなわち、図３に示されるグラフでは、横軸が石炭の装炭からコークスの押出しまでの時間を表し、縦軸が発生ガスの温度を表す。

図３に示されるように、炭化室２内に石炭を装炭した後に発生ガスの温度は急上昇する。この期間は、装炭した石炭の乾留が始まり発生ガスの発生が開始する過程である。その後、発生ガスの温度が最高温度に至る。最高温度に至った後、発生ガスはほぼ一定に減少するか、もしくはほぼ一定温度を保つ。この期間は、燃焼室からの加熱がほぼすべて石炭の乾留に用いられる安定的に乾留が進行している状態である。乾留末期では、発生ガスの量が減少するに伴い、発生ガスの温度も減少する。

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、上述の発生ガスの温度推移から特徴量を抽出する。例えば、図３に示される発生ガスの温度推移では、（１）昇温速度、（２）最高温度、（３）乾留中期温度降下速度、（４）乾留末期温度降下速度を特徴量として抽出し得る。（１）昇温速度は、装炭した石炭の乾留が始まり発生ガスの発生が開始する過程における発生ガスの温度上昇の時間速度である。（２）最高温度は、全乾留過程における最高温度である。（３）乾留中期温度降下速度は、安定的に乾留が進行している状態における発生ガスの温度減少の時間速度である。（４）乾留末期温度降下速度は乾留末期における発生ガスの温度減少の時間速度である。ここで、乾留中期の定義として、例えば乾留開始後４時間〜平均火落時間前４時間の時間帯を考えることができる。これは乾留開始後、および乾留末期における発生ガス温度急上昇、急降下の時間帯を除くという観点から決定したのものであり、実施の乾留過程に応じて適切に調節することができる。

〔乾留中期温度降下速度と押出力との関係〕
ここで、乾留中期温度降下速度と実際の押出力との関係に関して説明する。図４は、発生ガス温度パターンとコークスの押出力との関係を示す図である。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、コークス炉１における異なる炭化室２の実操業データである。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）を比較すると解るように、乾留中の発生ガスの温度推移は炭化室２ごとに大きく異なる。また、乾留中の発生ガスの温度推移の違いがコークスの押出力の違いに関係することが解る。

図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、どれも７日分の発生ガスの温度推移をプロットしたグラフである。装炭から押出までの１サイクルは１日弱であり約７回分の乾留工程が記録されている。この７回の乾留におけるコークスの押出に際しての押出力に関する平均値と最大値をそれぞれのグラフ上部に併記した。

図４（ａ）に示される温度推移は、発生ガス温度が装炭後に急激に上昇し、その後殆どフラットな推移を示し、乾留終了とともに温度が減少するという最も一般的な温度推移である。この温度推移の場合、押出力平均値が１０ｔ、最大値が２６ｔであり、低めの押出力でコークスを押し出すことができる。図４（ｃ）に示される温度推移は、図４（ａ）で見られたフラット部がなく、装炭直後の急激な上昇のあと、発生ガス温度がゆるやかに減少し続けるという温度推移である。この温度推移の場合、押出力平均値が１６ｔ、最大値が４７ｔであり、高めの押出力が必要となっている例である。図４（ｂ）に示される温度推移は、図４（ａ）および（ｃ）に示される温度推移の中間的温度推移である。この温度推移の場合、押出力平均値が１３ｔ、最大値が３１ｔであり、押出力に関しても中間的レベルである。これら図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示される温度推移を比較すると、発生ガスの温度推移とコークスの押し出し力との間には関連性があることが理解できる。

図５は、上述定義による乾留中期温度降下速度とコークスの押出力の実測値との関係をプロットしたグラフである。図５のグラフにおける横軸は乾留中期温度降下速度を示し、縦軸はコークスの押出力の平均押出力および最大押出力を示す。図５のグラフ中の○および×は、それぞれコークスの押出力の平均押出力および最大押出力をプロットした点である。図５に示されるグラフによると、乾留中期温度降下速度が大きいほど、平均押出力および最大押出力ともに大きくなっていることが解る。これは、コークス押出時における押詰りを生じるか否かに最も直接的にかかわる指標である最大押出力が、乾留中期温度効果速度に大きく依存することを意味する。すなわち、乾留中期温度効果速度は、コークス押出時における押詰りを生じるか否かを決める重要な特徴量（説明因子）であるということを意味している。

〔乾留中期温度効果速度を用いた押出力の推定方法〕
以下、上述の知見に基づいて、乾留中期温度降下速度をコークスの押出力の説明因子として用いた押出力の推定方法の実施形態について説明する。

図６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６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、目的変数としての最大押出力値を推定するための説明変数として、石炭化率，石炭化率のばらつき，コークスの流動度，クリアランス，コークスの粒度，カーボン落とし後日数，総炭化時間，装炭量，燃焼室温度，燃焼室温度のばらつき，及び嵩密度の１１個の説明変数に加えて、上述の乾留中期温度降下速度を用いる。

本実施形態では、クロスバリデーション法を用いた線形重回帰分析により、最大押出力値を推定する推定式を構築する。図７は、本発明の実施形態にかかる最大押出力値を推定する推定式を構築する方法の流れを示すフローチャートである。図７に示すように、本推定式を構築する方法では、始めに、最大押出力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最大押出力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最大押出力の推定式を構築する（ステップＳ３）。

次に、構築された推定式を用いて検証データについて最大押出力の予測値を算出し（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、最大押出力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、決定された最適な説明変数を用いて最大押出力の推定式を構築する（ステップＳ７）。

〔最大押出力の推定精度〕
ここで、図８を参照しながら、本実施形態にしたがう最大押出力の推定の推定精度の検討を行う。図８（ａ）は、本実施形態にしたがい乾留中期温度降下速度を説明因子に加えた最大押出力の推定を行った場合の最大押出力の実測値と推定値とをプロットしたグラフである。一方、図８（ｂ）は、本実施形態にしたがい乾留中期温度降下速度を説明因子に加えない最大押出力の推定を行った場合の最大押出力の実測値と推定値とをプロットしたグラフである。

図８（ａ）および（ｂ）を比較すると解るように、乾留中期温度降下速度を説明変数に加えた方が推定精度が向上している。なお、乾留中期温度降下速度を説明変数に加えた場合の相関係数はｒ＾２＝０．７６であり、乾留中期温度降下速度を説明変数に加えない場合の相関係数はｒ＾２＝０．６５である。

本実施形態は、上述１１個の説明変数に加えて乾留中期温度降下速度を用いて線形重回帰分析を施している。図８（ａ）および（ｂ）を比較すると、乾留中期温度降下速度は、線形重回帰分析を施したコークスの最大押出力の推定精度を向上させることが解る。このことは、図５の横軸である乾留中期温度降下速度が、縦軸の押出力と単なる擬似相関の関係ではなく、上述の上述１１個の説明因子とは独立した新たな説明因子であることを意味している。

以上より、本発明の実施形態によれば、石炭を乾留することにより発生する発生ガスの温度推移より抽出した特徴量を用いて、乾留終了後のコークスを押出す際の押出力を推定するので、炭化室からコークスを押し出す際の押出力の推定精度を向上させることができる。

上記特徴量は、乾留中期における発生ガスの温度降下速度であるので、従来の説明因子とは独立した新たな説明因子である。また、乾留中期における発生ガスの温度降下速度を乾留開始後４時間〜平均火落時間前４時間の時間帯で抽出するので、乾留開始後および乾留末期における発生ガス温度急上昇および急降下の時間帯を除いて安定的に乾留が進行した状態から説明因子を抽出することができる。

また、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、総炭化時間に応じて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、乾留中期における発生ガスの温度降下速度を含む複数の説明因子の中から、押出力の実測値に対する予測誤差が最小となる説明因子の組み合わせを特定し、特定された説明因子の組み合わせに基づいて押出力を推定する推定式を構築するステップと、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むので、従来の説明因子のみを用いた推定よりも推定精度が向上する。

従来の説明因子としては、石炭化率，石炭化率のばらつき，コークスの流動度，クリアランス，コークスの粒度，カーボン落とし後日数，総炭化時間，装炭量，燃焼室温度，燃焼室温度のばらつき，及び嵩密度のうち何れか一つ以上を含むことができる。

以上より、本発明の実施形態によるコークスの押出力推定方法により推定された押出力推定値に基づき、乾留終了後のコークスを押し出す際の押出力を制御すれば、コークスの押し詰まりが発生することを抑制できる。

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７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７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。

１ コークス炉
２ 炭化室
３ 燃焼室
４ 上昇管
５ 装炭口
６ 装炭車
７ 押出機
８ ガイド車
９ 消火車
１０ 押出ラム

Claims (3)

1. 乾留終了後の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、総炭化時間に応じて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、石炭を乾留することにより発生する発生ガスの、乾留開始後４時間から、乾留開始時刻から炭化室ごとの平均火落時間が経過した時刻より４時間前までの乾留中期における温度降下速度を含む複数の説明因子の中から、該説明因子の数を減らしながら順次線形重回帰分析を行って、前記押出力の実測値に対する予測誤差が最小となるように、発生ガスの前記乾留中期における温度降下速度を含む説明因子の組み合わせを特定し、特定された該説明因子の組み合わせに基づいて前記押出力を推定する推定式を構築するステップと、
   前記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、
   を含むことを特徴とするコークスの押出力推定方法。
2. 前記複数の説明因子は、石炭化率，石炭化率のばらつき，コークスの流動度，クリアランス，コークスの粒度，カーボン落とし後日数，総炭化時間，装炭量，燃焼室温度，燃焼室温度のばらつき，及び嵩密度のうち何れか一つ以上を含むことを特徴とする請求項１に記載のコークスの押出力推定方法。
3. 請求項１または２に記載のコークスの押出力推定方法により推定された押出力推定値に基づき、乾留終了後のコークスを押し出す際の押出力を制御することを特徴とするコークス炉の操業方法。

Images