JP5822069B2 - コークス炉炉長方向の燃料ガス流量分布測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、コークス炉炉長方向の燃料ガス流量分布測定方法に関し、具体的には、コークス炉の炉長方向に複数に分割されたフリューからなる燃焼室における燃料ガスの炉長方向の流量分布を測定する方法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配列した構造となっており、炭化室内に装入された石炭を、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、蓄熱室および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窯に分割されている。

コークス炉で用いられる燃料ガスとしては、カロリーが４０００〜５０００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３程度のＣガス（「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Ｍ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。

炭化室は、コークス押出機が設置されているＰＳ側に比べてコークスが押し出されるＣＳ側の炉幅が広く構築され、装入される石炭量も多くなっている。また、燃焼室の炉長方向両端側フリュー温度は、放熱の影響により低下する。そのため、石炭の乾留の進行が、炉長方向で大きくバラつくことになる。そのため、コークス炉の操業においては、乾留反応を均一に進行させて、一定品質のコークスを製造する観点からは、燃焼室の炉長方向の温度分布を適正範囲に制御することが極めて重要な課題となる。

そこで、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、ガス流路の開口面積を調整し、ＰＳ側からＣＳ側に順次ガス流量が多くなるよう、および、炉長方向両端側フリューのガス流量が多くなるよう、調整している。なお、上記開度調整板を用いたガス流量の調整を精度よく行うには、予め各フリューの流量を把握しておくことが必要である。

燃焼室の炉長方向の温度分布を測定する技術としては、例えば、特許文献１には、燃焼用空気の導入部に風速計、温度計および湿度計を内在する測定ボックスを当接し、導入空気流速を検出して流入空気量を求めると共に、燃料ガスの組成から理論燃焼空気量と理論燃焼排ガス量を算出する一方、燃焼排ガス中のＯ_２およびＣＯ濃度より過剰空気量を演算し、単位燃料ガス当りの燃焼空気量を求め、上記空気量と流入空気量に基き、燃料ガス量を求めるコークス炉燃料ガス流量の測定方法が、また、特許文献２には、各炭化室における乾留時間と前記各炭化室を両側から加熱する燃焼室の代表温度とを測定し、前記各炭化室における乾留時間と前記各炭化室を両側から加熱する燃焼室の代表温度の平均値との関係に基づいてある一つの炭化室内で発生した温度分布の状態を推定する方法が開示されている。

特開昭６３−８９５８７号公報 特開２００９−２７０００４２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、燃焼室単位の燃料ガス流量を測定することができるのみで、炉長方向の燃料ガス流量分布を求めることはできない。そのため、上記測定結果に基いて炉長方向の温度分布を調整することはできない。また、特許文献２には、炉長方向の温度分布を放射温度計で測定する方法が開示されているが、その結果から、燃焼室の炉長方向における燃料ガスや空気の流量を調整することは、精度が悪く、試行錯誤的となるため、目標温度分布にすることが難しい。

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、コークス炉の燃焼室における温度分布を適正範囲に制御するために必要な、炉長方向の燃料ガスの流量分布を精度よく測定する方法を提案することにある。

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、燃焼室を構成する各フリュー底部から燃料ガス中あるいは空気中にトレーサガスとしてＨｅガスを注入し、排ガス中のＨｅガスの濃度を測定することで、各フリューガス流量を精度よく測定できること、したがって、炉長方向の燃料ガス流量分布を精度よく測定できること見出し、本発明を完成させた。

上記知見に基く本発明は、炉長方向に複数に分割し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および空気の流量を測定してコークス炉の炉長方向の燃料ガス流量分布を測定する方法であって、各フリューの底部から燃料ガスまたは空気中にＨｅガスを注入し、フリュー出側の排ガス中のＨｅガス濃度を分析し、該排ガス中のＨｅガス濃度と、燃料ガスの組成、排ガスの組成、空気中に含まれるＨｅ濃度およびＨｅガスの注入量から各フリューに流れる燃料ガスの流量を求めて、コークス炉炉長方向の燃料ガス流量分布を測定することを特徴とするコークス炉炉長方向の燃料ガス流量分布測定方法である。

本発明のコークス炉炉長方向の燃料ガス流量分布測定方法は、上記Ｈｅガスの注入を、燃焼側フリューの富ガス供給配管を用いて行うことを特徴とする。

また、本発明のコークス炉炉長方向の燃料ガス流量分布測定方法は、上記Ｈｅガスの濃度分析を、排気側フリューの富ガス供給配管から排気ガスの一部を吸引して行うことを特徴とする。

本発明によれば、コークス炉の燃焼室における炉長方向のガス流量分布を精度よく測定することができるので、その結果に基づいて、炉長方向のガス流量分布を調整し、炉長方向の温度分布を適正化することで、高品質のコークスを生産性よく製造することが可能となる。

コークス炉の燃焼室部分の断面図である。 本発明のガス流量の測定方法を説明する図である。 実施例における炉長方向のガス流量分布を示す図である。 実施例における炉長方向の温度分布を示す図である。

前述したように、コークス炉の燃焼室部分は、上部から燃焼室、蓄熱室、ソールフリューに分かれ、各燃焼室はさらに、炉長方向（押出方向）にフリューと呼ばれる小さな室に分割されている。燃料ガスおよび空気は、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、蓄熱室で９００℃程度まで加熱されてから、各フリューに分配される。ただし、燃料ガスとして富ガスを用いる場合には、図１に示したように、ソールフリュー、蓄熱室を介することなく、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。したがって、燃料ガスとして貧ガスを使用しているときは、富ガスの供給系統は使用されていない。

そこで、貧ガスを燃料ガスに使用して操業を行なっているときに、図２に示したように、各フリュー底部に設けられている富ガスの供給系統を用いて、燃料ガスまたは空気中にトレーサガスを注入し、排気ガス中のトレーサガスの濃度を分析すれば、各フリューにおける燃料ガスおよび空気の流量を測定できる。すなわち、本発明は、燃焼側フリューの富ガス供給配管を用いて燃料ガスまたは空気中にトレーサガスを注入すると共に、排気側フリューの富ガス供給配管を用いて排気ガスの一部を吸引して採取し、トレーサガス濃度を分析することで、ガスの流量を測定する方法である。

なお、燃焼室を構成するフリューは、２つがセットとなり、一方が燃焼側となっているときには他方が排気側となり、燃焼側と排気側が約２０分程度の間隔で交互に入れ替わるツィンフリュー方式を採用している場合があるが、この場合には、燃焼側のフリューの燃料ガスまたは空気の中にトレーサガスを注入し、排気側のフリューの排ガス中のトレーサガスの濃度を分析すれよい。

ここで、上記トレーサガスとしては、不活性ガスであるＡｒガスやＨｅガス等の希ガスを用いる必要があるが、発明者らの実験結果によれば、Ｈｅガスを用いることが最も好ましいことがわかった。その理由は、Ａｒガスは、希ガスとはいえ、大気中に０．９３ｖｏｌ％と比較的多く含まれているため、測定には大量のＡｒガスが必要となり、測定誤差も大きくなる。この点、Ｈｅガスは、大気中に５ｖｏｌｐｐｍ程度しか含まれていないため、少量でも高い精度をもって測定できるからである。

ここで、燃料ガス流量ｘ（ｍ^３（Ｎ）／ｈｒ）および空気流量ｙ（ｍ^３（Ｎ）／ｈｒ）は、以下のようにして求めることができる。
まず、貧ガス（Ｍガス）の組成を、［ＣＯ］２２．３ｖｏｌ％、［Ｈ_２］９．３ｖｏｌ％、［ＣＨ_４］２．４ｖｏｌ％、［ＣＯ_２］２０．８ｖｏｌ％、［Ｎ_２］４５．０ｖｏｌ％、［Ｃ_ｍＨ_ｎ］０．３ｖｏｌ％とすると、上記組成から得られる理論空気量Ａ_０：１．０１５、貧ガスの湿り理論排ガス量Ｇ_０´：１．７１１となる。
また、排ガス組成：［ＣＯ］０．０ｖｏｌ％、［ＣＯ_２］１８．５ｖｏｌ％、［Ｏ_２］６．０ｖｏｌ％とすると、
空気比ｍは、
ｍ＝１／｛１−７９／２１×（［Ｏ_２］−０．５×［ＣＯ］）／（１００−［ＣＯ］−［ＣＯ_２］−［Ｏ_２］）｝＝１．４２６
となる。
次に、空気中Ｈｅ濃度：５ｖｏｌｐｐｍとし、ガス中へのＨｅガス供給量：０．１２３ｍ^３（Ｎ）／ｈｒ、排ガス中のＨｅ濃度：３７６０ｖｏｌｐｐｍと仮定すると、
Ｈｅ流量／排ガス流量＝｛ｙ×５×１０^−６＋０．１２３｝／［ｘ×｛Ｇ_０´＋Ａ_０（ｍ−１）｝］＝３７６０×１０^−６
となる。
ここで、ｙ＝ｘ×Ａ_０×ｍ、即ち、ｘ＝ｙ／（Ａ_０×ｍ）であるから、空気流量ｙは、
ｙ＝０．１２３／［３７６０×１０^−６×｛Ｇ_０´＋Ａ_０（ｍ−１）｝／（Ａ_０×ｍ）−５×１０^−６］＝２２．１ｍ^３（Ｎ）／ｈｒ
よって、燃料ガス流量ｘ：１５．３ｍ^３（Ｎ）／ｈｒが得られる。

上記のようにして、各々のフリューのガス流量を測定し、これを全てのフリューについて行うことで、燃焼室における炉長方向の流量分布を得ることができる。その結果、上記ガス流量分布に大きなバラつきや異常がある場合には、そのフリューの開度調整板の開度を調整したり、炉内の清掃をしたりして、ガス流量分布が適正範囲となるよう調整する。

炉長が１５ｍで、炉長方向に２０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、操業中に、燃焼側フリュー底部の富ガス（Ｃガス）供給ヘッダー配管にＳＵＳパイプを挿入し、トレーサガスとしてＨｅガスを各フリュー内に０．１２ｍ^３（Ｎ）／ｈｒ注入すると共に、排気側フリューの富ガス（Ｃガス）供給ヘッダー配管にＳＵＳパイプを挿入し、排気ガスの一部を吸引し、Ｈｅガス濃度を分析し、前述した計算手法で、各フリューに流れる燃焼ガスの流量を求めることで、炉長方向の流量分布を測定し、その結果を図３に破線で示した。また、上記ガス流量分布の測定と同時に、各フリュー頂部に設置された点検口から、放射温度計を用いて各フリューの温度を測定し、その結果を図４に破線で示した。図４から、この燃焼室の温度分布はバラつきが大きく、目標温度範囲から外れる部分が存在していること、また、図３と図４の対比から、温度のバラつきが大きいフリューでは、ガスの流量のバラつきも大きいことがわかる。

そこで、上記図３の破線に示した流量分布に基づいて、蓄熱室下部に設けられた開度調整板を調整すると共に、ガス流路の清掃を行った結果、炉長方向のガス流量分布は図３に実線で示したように改善され、その結果、炉長方向の温度分布も、図４に実線で示したように、目標温度範囲内に制御することができた。

本発明の技術は、貧ガスを燃料ガスとして使用するコークス炉に限定されるものではなく、例えば、富ガスを燃料ガスとして使用するコークス炉や、高炉熱風炉、焼結機の主排気ダクト等にも適用することができる。

Claims (3)

1. 炉長方向に複数に分割し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および空気の流量を測定してコークス炉の炉長方向の燃料ガス流量分布を測定する方法であって、各フリューの底部から燃料ガスまたは空気中にＨｅガスを注入し、フリュー出側の排ガス中のＨｅガス濃度を分析し、該排ガス中のＨｅガス濃度と、燃料ガスの組成、排ガスの組成、空気中に含まれるＨｅ濃度およびＨｅガスの注入量から各フリューに流れる燃料ガスの流量を求めて、コークス炉炉長方向の燃料ガス流量分布を測定することを特徴とするコークス炉炉長方向の燃料ガス流量分布測定方法。
2. 上記Ｈｅガスの注入を、燃焼側フリューの富ガス供給配管を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載のコークス炉炉長方向の燃料ガス流量分布測定方法。
3. 上記Ｈｅガスの濃度分析を、排気側フリューの富ガス供給配管から排気ガスの一部を吸引して行うことを特徴とする請求項１または２に記載のコークス炉炉長方向の燃料ガス流量分布測定方法。

Images