JP5954382B2 - コークス炉における火落判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、コークス炉中の石炭の乾留終了タイミングを判定するコークス炉における火落判定方法に関する。

コークス炉では、隣り合う複数の炭化室に石炭を順次装入して１１００℃前後の高温で乾留を行い、石炭乾留が終了すると、生成されたコークスを押出機で窯出しするという操業を行っている。その際、品質のよいコークス、例えば強度の高いコークスを製造するためには、窯出し前に石炭乾留が完全に終了しているか否かを正確に判定する必要がある。一般的に、この石炭乾留の終了を火落といい、そのタイミングを判定することを火落判定という。

従来、火落判定は、火見と呼ばれる熟練者がコークス炉の上昇管に設けられたトップカバーを開放し、そこから出るガスの色を見て判断することにより行われていた。しかしながら、この方法では、炭化室毎また火落のタイミング毎に頻繁に熟練者の判断が必要となるばかりか、トップカバーを開放する時期によっては問題が生じる。すなわち、石炭乾留の終了時刻付近でトップカバーを開放するときは問題は生じないが、石炭乾留の終了までにまだ時間がかかるタイミングでトップカバーを開放してしまうと、黒煙が発生したり、コークスの品位が劣化したりする場合がある。このため、熟練者がトップカバーを開放して判断する作業を必要としない火落判定方法の開発が望まれていた。

この種の問題点を解決するための技術としては、例えば、発生ガスの最高温度と火落時のガス温度との間に成立する関係式を利用して火落判定する方法（特許文献１参照）や、石炭装入から火落までの経過時間とガス温度との間に成立する関係式を利用して火落判定する方法（特許文献２参照）が知られている。また、ガス温度の経時変化における実質水平域の平均温度と火落時のガス温度との間に成立する関係式を利用して火落判定する方法も知られている（特許文献３参照）。さらに、ニューラルネットワークを利用して火落判定式の係数を最適化する方法（特許文献４参照）や、オペレータが判定した火落時間と自動計算による火落時間との差を埋めるように火落判定式の係数を補正する方法（特許文献５，６参照）も提案されている。

特公昭４６−０６４９７号公報 特開昭４９−１０３９０２号公報 特開昭５８−１４１２８７号公報 特開平６−２５６７２号公報 特開平１１−２４１０７１号公報 特開２０１１−１８４５６３号公報

しかしながら、コークス炉の稼動年数が長くなると、個々の炭化室の特性変化、上昇管の内壁や発生ガス温度を測定するための温度計（発生ガス温度計）に対するカーボン付着、発生ガス温度計の劣化等に起因して発生ガス温度の測定環境が変化し、測定される発生ガス温度と火落との関係性が炭化室毎また時間毎に変動する。このため、発生ガス温度に基づいて火落判定を行う方法によれば、炭化室間で火落判定の正確性に差が生じ、長期に亘って火落判定の正確性を維持することが困難になる。また、オペレータの火落判定結果に基づいて火落判定式を補正する方法によれば、オペレータが火落判定を実施しない場合やオペレータの火落判定精度が低い場合には、火落判定精度が低下してしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、オペレータの火落判定結果に依存せず発生ガス温度の測定環境の変化を考慮して精度よく火落を判定し、火落判定の正確性を維持することができるコークス炉における火落判定方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係るコークス炉における火落判定方法は、コークス炉中の石炭の乾留終了タイミングを火落判定式に従って判定するコークス炉における火落判定方法であって、以下の数式（１）に示す火落判定式を用いて火落判定温度を算出し、算出された火落判定温度に基づいて石炭の乾留終了タイミングを判定するステップを含むことを特徴とする。

但し、数式（１）中のパラメータａは任意の定数、パラメータＴ_ａｖｅは以下に示す数式（２）により算出される温度安定域においてコークス炉内で発生するガスの温度の平均値、パラメータＴ_基準値は任意の基準温度値を示す。

また、本発明に係るコークス炉における火落判定方法は、上記発明において、前記温度安定域は、乾留の１サイクルうちの５０％〜７０％の経過時間範囲で生じるフリュー温度の極小点を中心とした所定の時間範囲であることを特徴とする。

本発明に係るコークス炉における火落判定方法によれば、オペレータの火落判定結果に依存せず発生ガス温度の測定環境の変化を考慮して精度よく火落を判定し、火落判定の正確性を維持することができる。

図１は、本発明の一実施形態である火落判定装置が適用されるコークス炉を構成する１つの炭化室の上部を切り欠いて内部を示した模式図である。 図２は、本発明の一実施形態である火落判定装置の構成例を示すブロック図である。 図３は、火落判定処理を説明する図である。 図４Ａは、乾留の１サイクルにおける発生ガス温度とフリュー温度との時間推移を例示する図である。 図４Ｂは、乾留の１サイクルにおける発生ガス温度とフリュー温度との時間推移を例示する図である。 図４Ｃは、乾留の１サイクルにおける発生ガス温度とフリュー温度との時間推移を例示する図である。 図５は、火落判定処理の処理手順を示すフローチャートである。

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炉における火落判定方法について詳しく説明する。

〔コークス炉の構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である火落判定装置が適用されるコークス炉の構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である火落判定装置が適用されるコークス炉を構成する１つの炭化室１の上部を切り欠いて内部を示した模式図である。ここで、コークス炉は、複数の炭化室１が図示しない燃焼室と交互に連接配置されて構成され、石炭を各炭化室１に装入・充填すると共に各燃焼室に燃料ガスを供給し、各炭化室１を両側の燃焼室が発する熱によって加熱することで、各炭化室１内に装入・充填された石炭（装入炭）を乾留してコークスＣを生産する。

このようなコークス炉において、各炭化室１の上部には、図１に示すように、上壁を貫通して炭化室１の上部空間１１を外部と連通する貫通孔１３が形成されており、上昇管１５が連結されている。上昇管１５は、炭化室１の内部で発生したガスを収集してドライメン１７へと導くものであり、頂部がトップカバー１９によって開放可能に構成されている。そして、この上昇管１５の内部に発生ガス温度計２が設置されており、発生ガス温度を測定する。

ここで、炭化室１は、経年変化によって内壁面に局所的に凹凸が形成されたり、あるいは内壁面が全体的に磨耗したりするため、その特性が個別に経時変化する。その他にも、稼動年数が長くなると、ガスが充満する上昇管１５の内壁や発生ガス温度計２に対してカーボンが付着したり、発生ガス温度計２自体が劣化したりする等の事態が生じ、これらは発生ガス温度計２による発生ガス温度の測定環境の変化を招く。

〔火落判定装置の構成〕
次に、図２を参照して、本発明の一実施形態である火落判定装置の構成について説明する。

図２は、本発明の一実施形態である火落判定装置の構成例を示すブロック図である。本発明の一実施形態である火落判定装置は、例えば、プロセスコンピュータ、あるいはワークステーションやパソコン等の汎用コンピュータを用いて実現され、炭化室１毎に火落判定時間を判定する処理（火落判定処理）を行う。図２に示すように、本発明の一実施形態である火落判定装置３は、主な機能部として、入力部３１と、出力部３３と、記録部３５と、処理部３７と、を備えている。この火落判定装置３は、上記した各炭化室１に対応する上昇管１５内の発生ガス温度計２の各々と接続され、この発生ガス温度計２から発生ガス温度の測定値が入力される。

入力部３１は、例えばキーボードやマウス、タッチパネル、各種スイッチ等の入力装置によって実現されるものであり、操作入力に応じた入力信号を処理部３７に出力する。出力部３３は、ＬＣＤやＥＬディスプレイ、ＣＲＴディスプレイ等の表示装置によって実現されるものであり、処理部３７から入力される表示信号をもとに各種画面を表示する。なお、出力部３３は、適宜プリンタやスピーカ等の出力装置を含む構成としてよい。

記録部３５は、更新記録可能なフラッシュメモリ、内蔵あるいはデータ通信端子で接続されたハードディスク、メモリカード等の情報記録媒体及びその読み書き装置等によって実現され、用途に応じた記録装置を適宜採用して用いることができる。この記録部３５には、火落判定装置３を動作させ、この火落判定装置３が備える種々の機能を実現するためのプログラムや、このプログラムの実行中に使用されるデータ等が事前に保存され、あるいは処理の都度一時的に保存される。

処理部３７は、ＣＰＵ等で実現され、入力部３１から入力される入力信号、記録部３５に保存されるプログラムやデータ等をもとに、火落判定装置３を構成する各部への指示やデータの転送等を行って火落判定装置３の動作を制御する。この処理部３７は、温度安定域設定部３７１と、火落判定温度算出部３７３と、火落判定部３７５と、を備えている。これら各部の機能については後述する。

〔火落判定処理〕
次に、図３〜図５を参照して、１つの炭化室１に注目して本発明の一実施形態である火落判定処理について説明する。

図３は、注目対象の炭化室１に関する火落判定処理を説明する図であり、縦軸を発生ガス温度Ｔとし、横軸を石炭装入からの装入後経過時間ｔとして、注目対象の炭化室１における発生ガス温度（発生ガス温度計２の測定値）Ｔの時間推移を示している。図３の変化曲線Ｌに示すように、炭化室１内の発生ガス温度Ｔは、乾留開始と共に急上昇する。そして、発生ガス温度Ｔは、発生ガス温度の時間推移がほぼ平坦となる装入後経過時間ｔ_１から装入後経過時間ｔ_２までの温度安定域Ｒ１を経て乾留終了が近づくと（乾留後期）、再度上昇した後に火落判定温度Ｔ_Ｆを経て徐々に降下していく。

本発明の一実施形態である火落判定処理において用いられる火落判定式は、図３に示す変化曲線Ｌ上の点Ｐにおける発生ガス温度（火落判定温度）Ｔ_Ｆを算出する数式であり、以下の数式（１）によって表される。以下の数式（１）において、パラメータａは予め設定される任意の定数、パラメータＴ_ａｖｅは平均発生ガス温度、パラメータＴ_基準値は任意の火落判定基準温度値を示している。すなわち、図３に示すように、火落判定温度Ｔ_Ｆは、火落判定基準温度値Ｔ_基準値と平均発生ガス温度Ｔ_ａｖｅとの差分値ΔＴ（＝Ｔ_ａｖｅ−Ｔ_基準値）の任意の割合ａ×ΔＴを火落判定基準温度値Ｔ_基準値に加算した値となっている。

平均発生ガス温度Ｔ_ａｖｅは、以下の数式（２）に示すように、図３に示す温度安定域Ｒ１内の測定周期毎の発生ガス温度計２の測定値（図３の変化曲線Ｌ上の各測定周期における発生ガス温度Ｔの値）を合計し、これを測定周期数で除算することで算出される。なお、発生ガス温度の測定値は各乾留サイクルで異なるため、火落判定温度を固定温度で規定することができない。Ｔ_ａｖｅは、火落判定温度を相対温度で規定するための基準となる温度を意味する。また、Ｔ_基準値は、Ｔ_ａｖｅを相対温度に変換するために設定されるものである。

ここで、温度安定域Ｒ１は、任意の時間とすることができるが、乾留中に発生ガス温度の時間推移が安定するおおよその装入後経過時間ｔの範囲は、過去の操業実績等から事前に想定できる。従って、温度安定域Ｒ１は、乾留中の発生ガス温度計２の測定値を監視しつつ、前述の想定される装入後経過時間ｔの範囲を目処にその時間範囲の全域またはその時間範囲内で設定する。

例えば、乾留開始とともに急上昇した後の発生ガス温度の時間推移が図３の変化曲線Ｌのように平坦（ほぼ一定）である場合は、装入後経過時間ｔが２時間〜１８時間の時間範囲内で温度安定域Ｒ１を設定する。すなわち、２時間〜１８時間の全域を温度安定域Ｒ１としてもよいし、その一部を選んで温度安定域Ｒ１を設定してもよい。

なお、乾留後期においてそれまでの発生ガス温度計２の測定値から発生ガス温度の時間推移が平坦となる装入後経過時間ｔの範囲を特定するようにしてもよい。そして、特定した範囲の全域または一部を温度安定域Ｒ１として設定してもよい。

ただし、発生ガス温度の測定環境が変化すると、乾留開始とともに急上昇した発生ガス温度が乾留後期に再度上昇し始めるまでの発生ガス温度の時間推移は必ずしも平坦とは限らない。

このような場合は、乾留後期において発生ガス温度が再度上昇し始める直前の装入後経過時間ｔの所定の時間範囲を温度安定域Ｒ１として設定するのがよい。例えば、発生ガス温度が再度上昇し始める前の例えば１時間〜４時間の装入後経過時間ｔの範囲を温度安定域Ｒ１として設定する。

図４Ａ〜４Ｃは、それぞれ乾留の１サイクルにおける発生ガス温度とフリュー温度との時間推移を例示する図である。ここで、乾留の１サイクルとは、石炭装入から、発生ガス温度が上昇を経てほぼ石炭装入時の温度に低下するまでの経過時間範囲を意味する。また、フリュー温度とは、各炭化室１に隣接する両側の燃焼室（フリュー）の温度の平均値を意味する。図４Ａ〜４Ｃに例示するように、乾留開始とともに急上昇した発生ガス温度が乾留後期に再度上昇し始めるまでの発生ガス温度の時間推移が傾きを持つ場合にも、各炭化室１に隣接する燃焼室のフリュー温度には、低下傾向から上昇傾向に変化する変曲点（極小点）が生じる。この現象は、炭化室１内の石炭の乾留状態により、炭化室１内に装入された石炭の抜熱量と可燃性ガスの燃焼で燃焼室に供給される供給熱量とのバランスが変化することによって生じるものである。このようなフリュー温度の変曲点が生じる時間範囲では、発生ガス温度が安定し変化が小さくなる。そこで、本実施の形態では、温度安定域Ｒ１は、乾留の１サイクルのうちの５０％〜７０％の経過時間範囲で生じるフリュー温度の極小点を中心とした所定（０．５〜３時間）の時間範囲とする。

火落判定基準温度値Ｔ_基準値は、ガスが殆ど発生しなくなった石炭乾留終了間近の炉内雰囲気温度であり、炉温、装炭量、及び外気温度に応じて０〜２００℃の温度範囲内で任意に設定される値である。なお、Ｔ_基準値＝０℃とは、Ｔ_基準値が設定されないことに等しい。

図５は、火落判定処理の具体的な処理手順を示すフローチャートである。火落判定装置３は、図５に示す処理手順に従って処理を行うことでコークス炉における火落判定方法を実施する。なお、ここで説明する処理は、火落判定処理を実現するためのプログラムを記録部３５に保存しておき、処理部３７がこのプログラムを読み出して実行することで実現できる。

図５に示すように、火落判定処理では、処理部３７が、乾留開始とともに、発生ガス温度計２の測定値によって炭化室１内の発生ガス温度の監視を開始する（ステップＳ１；取得ステップ）。この発生ガス温度の監視は、乾留終了までの間、例えば、事前に設定される所定の測定周期毎に行う。

その後は、上記したように、発生ガス温度が乾留後期に再度上昇し始めるまで発生ガス温度計２の測定値の監視を続ける。そして、発生ガス温度が上昇し始めたならば、温度安定域設定部３７１が、乾留開始から現時点までの測定周期毎の発生ガス温度計２の測定値をもとに、上記した要領で温度安定域Ｒ１を設定する（ステップＳ３；設定ステップ）。

続いて、火落判定温度算出部３７３が、上記数式（１）を用いて火落判定温度Ｔ_Ｆを算出する（ステップＳ５；算出ステップ）。すなわち、火落判定温度算出部３７３は先ず、ステップＳ３の処理で設定した温度安定域Ｒ１内の各制御周期における発生ガス温度計２の測定値をもとに、上記数式（２）に従って平均発生ガス温度Ｔ_ａｖｅを算出する。続いて、火落判定温度算出部３７３は、算出した平均発生ガス温度Ｔ_ａｖｅを上記数式（１）に代入することによって火落判定温度Ｔ_Ｆを算出する。

その後は、火落判定部３７５が、ステップＳ５の処理によって算出された火落判定温度Ｔ_Ｆに従い、引き続き測定周期毎に監視される発生ガス温度がステップＳ５の処理によって算出された火落判定温度Ｔ_Ｆに到達したか否かを判定する（判定ステップ）。そして、火落判定部３７５は、発生ガス温度が火落判定温度Ｔ_Ｆに到達した時点で（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、火落と判定する（ステップＳ９）。

以後、オペレータは、発生ガス温度が火落判定温度Ｔ_Ｆに到達するまでの装入後経過時間ｔ_３（図３参照）と予め規定されたコークス炉の操業サイクルに基づいて、以後の乾留処理におけるコークス炉の炉温を設定する。例えば、装入後経過時間ｔ_３が長く、コークスの品位を高めるために必要な置き時間を十分に確保できない場合、オペレータは炉温を高く設定することによって装入後経過時間ｔ_３を短くする。また、装入後経過時間ｔ_３が短い場合には、オペレータは炉温を低く設定することによって乾留熱量の無駄な消費を低減する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、乾留中の発生ガス温度計２の測定値を監視しながら温度安定域を設定して平均発生ガス温度を算出し、平均発生ガス温度から火落判定温度を算出し、算出された火落判定温度に従って火落判定を行う。これにより、個々の炭化室の特性変化、上昇管の内壁や発生ガス温度計２に対するカーボン付着、発生ガス温度計２の劣化等に起因して発生ガス温度の測定環境が変化した場合であっても、精度よく火落を判定し、火落判定の正確性を維持することができる。また、この結果、乾留熱量の無駄な消費を低減できる。

１ 炭化室
２ 発生ガス温度計
３ 火落判定装置
１５ 上昇管
３１ 入力部
３３ 出力部
３５ 記録部
３７ 処理部
３７１ 温度安定域設定部
３７３ 火落判定温度算出部
３７５ 火落判定部
Ｃ コークス

Claims (1)

1. コークス炉中の石炭の乾留終了タイミングを火落判定式に従って判定するコークス炉における火落判定方法であって、温度安定域は、乾留の１サイクルのうちの５０％〜７０％の経過時間範囲で生じるフリュー温度の極小点を中心とした所定の時間範囲であり、以下の数式（１）に示す火落判定式を用いて火落判定温度を算出し、算出された火落判定温度に基づいて石炭の乾留終了タイミングを判定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火落判定方法。
   

   

   但し、数式（１）中のパラメータａは任意の定数、パラメータＴ_ａｖｅは以下に示す数式（２）により算出される温度安定域においてコークス炉内で発生するガスの温度の平均値、パラメータＴ_基準値は任意の基準温度値を示す。
   

   

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