JP5782982B2 - コークス炉の燃焼管理方法および流量分布制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、石炭を乾留してコークスを製造するコークス炉の燃焼管理方法と、燃料ガスおよび空気の流量分布制御装置に関し、具体的には、燃焼室の炉長方向（押出方向）の温度分布を制御するコークス炉の燃焼管理方法と、燃料ガスおよび空気の炉長方向流量分布を制御する流量分布制御装置に関するものである。

コークス炉は、原料の石炭を装入する炭化室と、燃料ガスを空気で燃焼させる燃焼室とが交互に炉幅方向に複数配列した構造となっており、炭化室の両側に配置された燃焼室において燃料ガスを空気で燃焼させ、その燃焼熱によって、炭化室内に装入された石炭を、炭化室と燃焼室間の炉壁を介して間接的に加熱・乾留してコークスを製造している。

図１は、コークス炉の燃焼室部分の断面図である。燃焼室部分は、上部から燃焼室、蓄熱室、ソールフリューに分かれており、各燃焼室はさらに、炉長方向（押出方向）に２０〜４０程度のフリューと呼ばれる小さな室に分割されている。燃焼ガスおよび空気は、コークス炉外に配設された各ガス配管からソールフリューに供給され、その後、各フリューに分配される。

コークス炉で用いる燃料ガスとしては、カロリーが４０００〜５０００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３程度のＣＯＧ（「富ガス」）や、その他の副生ガスを混合したカロリー１０００〜３０００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３程度のミックスガス（「貧ガス」）があるが、一般には、コスト的に有利な貧ガスが用いられることが多い。なお、富ガスを用いる場合には、上記ソールフリューを介することなく、フリュー下部から各フリューに直接供給されるのが普通である。また、空気の供給方式には、フアン等で供給する強制通風式や、排ガスのドラフトで吸引する自然通風式がある。

ところで、コークス炉では、炭化室内の石炭を均一に乾留し、成品としてのコークスの品質を一定に保つため、燃焼室における炉長方向（押出方向）の温度分布を、所定の目標範囲内に制御することが必要とされ、そのためには、燃焼室を構成する炉長方向の各フリューに供給される燃料ガスおよび空気の流量を調整し、燃焼室の炉長方向の温度分布が目標範囲内となるよう制御することが重要である。従来、上記炉長方向の流量分布の調整は、燃料ガスとして富ガスを使用する場合には、燃焼室下部に設置された開度調整板を、貧ガス使用する場合には、蓄熱室下部に設置された開度調整板を用いて、燃焼室または蓄熱室に通ずるガス流路の開口面積を調整することで行っている。

また、コークス炉の操業において、燃焼室における炉長方向の温度分布を目標範囲内に制御するためには、炉長方向の燃料ガスおよび空気の流量分布の調整は、操業中でも自由に行えることが必要である。しかしながら、上記開度調整板を用いてガス流路の開口面積を調整する方法は、作業安全上、燃焼停止時（非稼働時）にしか行うことができないため、操業中に自由に流量分布を制御することができない。

流量分布を調整するその他の技術としては、例えば、特許文献１には、コークス炉の燃焼室の炉長方向における端部側の端フリューには流量調整バルブにより流量調整された空気および燃料ガスを、端フリューよりも内側のフリューにはオリフィスにより流量調整された空気および燃料ガスを供給するようにし、コークス炉の低稼働率操業と高稼働率操業との切り替えの際には、前記流量調整バルブで端フリューの流量を調整する技術が開示されている。

また、特許文献２には、燃料流路に設けた燃料ガスと空気の加減コックおよび排ガス流路の両端に設けた２つのウェストダンパーを有するコークス炉の操業方法において、炉毎の炉内平均乾留時間を目標乾留時間に保持して、炉幅方向の炉内平均乾留時間のばらつきを最小にするために燃料流路に設けた燃料ガスと空気の加減コックの開度を調整して決定すると共に、炉内の炉長方向の乾留時間のばらつきを最小にするために２つのウェストダンパーの開度を調整して決定することにより、炉幅方向と炉長方向の燃焼室温度分布を最適値に保持して、炉毎の炉内平均乾留時間を目標乾留時間に保持し、炉内の炉長方向の乾留時間のばらつきを最小にする技術が開示されている。

特開２００８−１９５９０１号公報 特開平１０−１４０１６１号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、流量調整バルブを設置している端フリューの燃料ガス流量の調整は可能であるが、それ以外のフリューの流量調整は難しい。また、特許文献２に記載の加減コックで流量を調整する方法では、加減コックを閉めると流量が少なくなり、開けると流量が大きくなるというように、全体の流量が大きく変わるため、炉長方向の流量分布の変化が大きくなって炉長方向の温度分布を調整することは困難である。

本発明は、従来技術が抱える上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ソールフリューを介してコークス炉の燃焼室（フリュー）に供給される燃料ガスおよび空気の炉長方向流量分布を精度よく制御することができるコークス炉の燃焼管理方法を提案すると共に、そのための燃料ガスおよび空気の流量分布制御装置を提供することにある。

発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意検討を重ねた。その結果、各ソールフリューに供給する燃料ガスおよび空気の流量を、各ソールフリューに燃焼ガスおよび空気を供給する配管に設けられた調整弁で一定に制御した上で、各ソールフリュー入口の開口面積を変えてソールフリュー入口の燃焼ガスおよび空気の流速を調整すれば、各フリューに流れる燃料ガスおよび空気の炉長方向流量分布を制御することができることに想到し、本発明を開発するに至った。

すなわち、本発明は、炉長方向に複数に分割されたフリューからなる燃焼室と、炭化室とが炉幅方向に交互に複数配列されてなり、各フリュー内に供給された燃料ガスを空気で燃焼させて炭化室内の石炭を乾留するコークス炉の操業方法において、ソールフリューに供給される燃料ガスと空気の流量を一定に制御した上で、ソールフリュー入口の流速を調整し、各フリューに流れる燃料ガスおよび空気の炉長方向流量分布を制御することを特徴するコークス炉の燃焼管理方法を提案する。

本発明のコークス炉の燃焼管理方法は、上記ソールフリュー入口流速を、燃焼室の炉長方向温度分布に基づいて調整することを特徴とする。

また、本発明は、炉長方向に複数に分割されたフリューからなる燃焼室と、炭化室とが炉幅方向に交互に複数配列されてなり、各フリュー内に供給された燃料ガスを空気で燃焼させて炭化室内の石炭を乾留するコークス炉における燃料ガスと空気の流量分布制御装置であって、各燃焼室に燃料ガスおよび空気を供給する燃料ガス配管および空気配管と、上記配管から供給される燃料ガスおよび空気を各フリューに分配するソールフリューとの間に燃料ガスおよび空気の流量を一定に制御する流量調整弁を有し、上記ソールフリューの入口に燃料ガスおよび空気の流速を調整する流速調整機構を設けてなることを特徴するコークス炉の流量分布制御装置である。

本発明の流量分布制御装置における上記流速調整機構は、少なくとも２枚のプレートからなり、その位置の変更によりソールフリュー入口の開口面積を調整するものであることを特徴する。

本発明によれば、コークス炉の操業中においても、各フリューに流れる燃料ガスおよび空気の炉長方向流量分布を所定の目標範囲に制御することが可能となるので、燃焼室の炉長方向における温度分布を目標温度範囲に制御することができ、ひいては、コークスの品質の均一化や燃料ガスの削減に寄与することができる。

コークス炉の断面構造と、燃料ガスおよび空気の流れを示す模式図である。 コークス炉の燃焼システムを説明する図である。 フリューに流れるガスの炉長方向流量分布に及ぼすソールフリュー断面積およびガス流速の影響を説明する図である。 フリューに流れるガスの炉長方向流量分布に及ぼすソールフリュー入口のガス流速の影響を説明する図である。 本発明に係る流量分布制御装置の一例を示す図である。 実施例における改善前と改善後の温度分布を示す図である。 実施例における改善前と改善後の各フリューに流れるガス量を示す図である。

図２は、コークス炉の燃焼システムを示したものである。コークス炉に供給される燃料ガスおよび空気は、各ガスの本管に配設された流量調整弁、および、上記本管から分岐し、各ソールフリューに燃料ガスおよび空気を供給する配管に設置された調整弁で流量が調整される。すなわち、上記本管に設けられた流量調整弁では、コークス炉全体に流すガスの流量が、また、本管から分岐した配管に設けられた調整弁では、各ソールフリューに流すガスの流量が調整される。各ソールフリューに供給された燃料ガスおよび空気は、その後、蓄熱室で約９００℃まで加熱された後、燃焼室を構成する各フリューに分配される。

ここで、上記ソールフリューから各フリューに分配されるガスの流れは、分岐管の流れと同じように考えることができ、その流量は、下記ベルヌーイの定理の式に従い、静圧と圧力損失の影響を受ける。
記
Ｐ＝ｐ＋ｑ＝ｐ＋１／２・ρｖ^２＝一定
（ここで、Ｐ：総圧、ｐ：静圧、ｑ：動圧、ρ：流体密度、ｖ：流線に沿った速度）

従えば、ソールフリューの断面積が炉長方向で一定（等断面積）である場合には、ソールフリュー内のガスの流速は、各フリューへのガス分配により、入口側から順次低下する。それに伴い、静圧が回復するため、各フリューに流れるガスの流量は、図３に実線で示したように、ソールフリュー入口側で少なく、入口から遠くなるほど多くなる。
また、ソールフリュー内でのガスの流速が、炉長方向で等しい（等流速）場合には、上流側からの圧力損失の方が静圧の回復より大きくなるため、各フリューに流れるガスの流量は、図３に破線で示したように、ソールフリュー入口側で多く、入口から遠くなるほど少なくなる。

そこで、ソールフリュー入側のガス流量が一定の条件下で、ソールフリュー入口のガス流速を変化させた場合の、各フリューに流れるガスの炉長方向の流量分布について検討すると、ソールフリュー入口の流速を大きくしたときには、ソールフリュー入口側では、動圧が大きく、静圧が小さくなるが、入口から離れて炉長方向の中央部に行くに従い、流速が遅くなって動圧が小さくなるため静圧が回復し、さらにその先では、圧力損失が増加するため静圧が低下する。その結果、各ソールフリューに流れる炉長方向のガス流量分布は、図４に実線で示したように、入側と先端側で小さく、中央部において大きくなる。
逆に、ソールフリュー入口の流速を小さくしたときには、ソールフリュー入口側の静圧は大きいが、入口から遠くなるほど圧力損失が増加し、静圧が低下していくので、各ソールフリューに流れる炉長方向のガス流量分布は、図４に破線で示したように、入側が大きく、入側から遠くなるほど小さくなる。
このように、ソールフリュー入側のガス流量が一定の条件下では、ソールフリュー入側のガス流速を調整すれば、炉長方向の各ソールフリューに流れるガス流量分布を制御できることがわかる。

しかしながら、図２に示したように、本管から分岐した各ソールフリューに燃料ガスおよび空気を供給する配管に設置された調整弁で各ソールフリューに流れるガスの流速を調整しようとすると、流速と流量とが比例関係となり、流量も同時に変化してしまうため、流量分布を上記のように調整することができない。

そこで、発明者らは、上記問題点を解決する方法について検討した結果、本管から分岐した各ソールフリューに燃料ガスおよび空気を供給する配管に設置された調整弁でガスの流量を一定に制御し、その上で、ソールフリュー入口（図１に示したＡ部）にガスの流速を調整するための機構を設けて、ソールフリュー入口の流速を調整するようにしてやればよいことに想到し、本発明を開発するに至った。

ここで、上記流速調整機構としては、簡単な例として、例えば図５に示したように、ソールフリューの入口に、１対の金属製のプレートからなり、そのプレートの位置変更によりソールフリュー入口の開口面積を調整可能としたものを挙げることができるが、この例に限定されるものではない。

本発明のコークス炉の燃焼管理方法を適用し、炉長方向のガス流量分布を制御するためには、各フリューの炉長方向の温度分布（目標温度分布に対する乖離量）を測定する必要がある。上記各フリューの温度は、例えば、フリュー頂部に設置された点検口から、熱電対を挿入したり、放射温度計を用いることで、容易に測定することができる。
そして、上記各フリューの炉長方向の温度分布と目標温度分布とを対比し、目標温度との乖離量が大きい部分のフリューに対して、例えば、温度が低い部分には供給する燃料ガスおよび空気の流量を多くし、一方、温度が高い部分には供給する燃料ガスおよび空気の流量を少なくする等、調整してやればよい。

炉長が１５ｍで、２０個のフリューから構成されるツインフリュー方式の燃焼室を有する実機コークス炉で、燃焼室を構成する各フリューの頂部における温度（フリュー温度）を放射温度計を用いて測定し、その結果を図６に破線で示した。この結果から、この温度分布には、目標温度に対してＣＳ側で温度が高く、中央部で温度が低いという問題があることがわかる。そこで、本発明の流量分布制御装置を調整して、燃料ガスおよび空気のソールフリューの入口流速を、図７に示したように、ＰＳ側、ＣＳ側流量が多い流量分布から、ＰＳ側の流量を低減し、中央部の流量を増加した流量分布に変更したところ、炉長方向の温度分布が、図６に実線で示したように改善された。これから、本発明の燃焼管理方法が有効であることが確認できた。

Claims (4)

1. 炉長方向に複数に分割されたフリューからなる燃焼室と、炭化室とが炉幅方向に交互に複数配列されてなり、各フリュー内に供給された燃料ガスを空気で燃焼させて炭化室内の石炭を乾留するコークス炉の操業方法において、ソールフリューに供給される燃料ガスと空気の流量を一定に制御した上で、ソールフリュー入口の流速を調整し、各フリューに流れる燃料ガスおよび空気の炉長方向流量分布を制御することを特徴するコークス炉の燃焼管理方法。
2. 上記ソールフリュー入口流速を、燃焼室の炉長方向温度分布に基づいて調整することを特徴とする請求項１に記載のコークス炉の燃焼管理方法。
3. 炉長方向に複数に分割されたフリューからなる燃焼室と、炭化室とが炉幅方向に交互に複数配列されてなり、各フリュー内に供給された燃料ガスを空気で燃焼させて炭化室内の石炭を乾留するコークス炉における燃料ガスと空気の流量分布制御装置であって、各燃焼室に燃料ガスおよび空気を供給する燃料ガス配管および空気配管と、上記配管から供給される燃料ガスおよび空気を各フリューに分配するソールフリューとの間に燃料ガスおよび空気の流量を一定に制御する流量調整弁を有し、上記ソールフリューの入口に燃料ガスおよび空気の流速を調整する流速調整機構を設けてなることを特徴するコークス炉の流量分布制御装置。
4. 上記流速調整機構は、少なくとも２枚のプレートからなり、その位置の変更によりソールフリュー入口の開口面積を調整するものであることを特徴する請求項３に記載のコークス炉の流量分布制御装置。

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