JP6123758B2 - コークス炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、コークスの押し詰まりの発生を抑え得るコークス炉の操業方法に関する。

水平室炉式コークス炉では、炭化室に装入された石炭を乾留してコークスを製造する。炭化室の両側には窯口が設けられており、一方の窯口側には押出機が配置され、他方の窯口側にはガイド車が配置されている。石炭の乾留中は両側の窯口をコークス炉蓋で覆っておき、乾留後に該コークス炉蓋を開放して、一方の窯口から押出機の押出ラムを炭化室に挿入し、コークスを炭化室から押し出して他方の窯口からコークスをガイド車に排出している。

近年、コークス炉の老朽化に伴い、コークス炉を構成する耐火物の一部が摩耗して変形したり、耐火物の目地が広がるなどして、コークス炉の建造時には、平坦であった炭化室の内壁の一部が張り出してくる場合がある。よって、コークス炉の操業において、張り出しが顕著な内壁部分を有する炭化室では、コークスが排出し難くなる押し詰まりが発生していた。押し詰まりが発生すると、コークスの単位時間当たりのコークスの生産量（生産性）が悪化してしまう上に、炭化室の内壁を構成する耐火物が押し詰まり時の荷重によって損傷を受けるおそれがある。

そこで、特許文献１には、コークス押し出し時に押出ラムに掛ける負荷を、炭化室の内壁面に生成するカーボン量と、炭化室の炉頂空間面に生成するカーボン量とを、因子とした式で推定することが記載されており、高負荷が推定される場合には、石炭性状や炉の操業条件を適宜調整することにより、押出ラムに掛ける負荷を低下させて、コークスの生産性を悪化させることなく、コークス炉の操業を可能としている。

特開２００２−１７３６８７号公報

特許文献１の技術で、押出ラムに掛かる負荷がある程度高くなると推定される場合には、例えば、炭化室に装入する石炭の量を減少させることによって、押出ラムに掛かる負荷を低下させることができる。しかしながら、老朽化が更に進んだコークス炉においては、特許文献１の技術によって、押出ラムに掛かる負荷を推定し、負荷を低下させても押し詰まりが発生してしまい、老朽化が更に進んだコークス炉においては、特許文献１の技術が必ずしも有効とはいえないというのが実情である。

本発明は、この実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、老朽化が更に進んだコークス炉における炭化室において、確実に押し詰まりの発生を防止するコークス炉の操業方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下の通りである。
コークス炉の炭化室に石炭を装入するコークス炉の操業方法であって、前記コークス炉の建造時の熱間寸法に基づく、炭化室の内壁の位置よりも張り出している内壁部分の張出量を調査し、前記炭化室に装入される石炭の上面を、前記張出量が２０ｍｍ以上の内壁部分の高さ以下とすることを特徴とするコークス炉の操業方法。

本発明によって、老朽化したコークス炉を使用しつつも、押し詰まりの発生率を抑えることができ、コークスの生産性を低下させずある程度高位に維持することが可能となる。

コークス炉の斜視図である。 老朽化したコークス炉の炭化室で生じるコークスの押し詰まりの説明図である。 押し詰まりの発生率［％］と内壁の張出量［ｍｍ］との関係を示すグラフである。

図１はコークス炉の斜視図である。コークス炉１は、蓄熱室が複数並べられて構成される蓄熱部２、及び、該蓄熱部２の上に炭化室３と燃焼室４とを複数有し、炭化室３と燃焼室４とは交互に隣接して並べられている。炭化室３と燃焼室４との上を、装炭車５がコークス炉１の炉長手方向Ｌに沿って走行する。図示は省略しているが、炭化室３の上壁には、装入孔が、コークス炉１の炉短手方向Ｓに沿って複数形成されており、装入孔を通じて、石炭が炭化室３に装入される。炭化室３の両側には窯口３ａが設けられており、図示は省略しているが、窯口３ａは脱着可能なコークス炉蓋で覆われている。炭化室３の一方の窯口３ａ側には押出機６が配置され、他方の窯口３ａ側にはガイド車８が配置され、押出機６とガイド車８とが炉長手方向Ｌに沿って走行する。

炭化室３では、装入された石炭が乾留されてコークスとなる。石炭を乾留するために、蓄熱部２の各蓄熱室から燃料ガスを燃焼室４に供給し燃焼させて、燃焼熱を燃焼室４に隣接する炭化室３に伝えることで、該炭化室３を加熱する。燃焼室４での燃焼熱が隣接する炭化室３に伝わり、該炭化室３の温度が上昇し、石炭が乾留される。乾留が終わった後に、窯口３ａからコークス炉蓋を取外し、押出機６の押出ラムを炭化室３に挿入して、押出ラムで、石炭の乾留で得られるコークスを炭化室３から押し出して、該押出機６の反対側にあるガイド車８で受け止める。該ガイド車８の下側には、蓄熱部２の前を炉長手方向Ｌに沿って走行可能な消火車９が配置されて、ガイド車８から消火車９がコークスを受ける。次いで、消火車９は、コークスを所定の場所まで移動する。

コークス炉１の操業では、炭化室３からのコークスの押し出し、炭化室３への石炭の装入を繰り返して行う。操業を行っているうちに、複数の炭化室３の内壁（壁面）が損耗・変形していき（コークス炉１の老朽化）、炭化室３からコークスを押し出す際には、炭化室３によっては、コークスが押し出し難くなる現象（押し詰まり）が生じる場合がある。

図２は、老朽化したコークス炉１の炭化室３で生じるコークスの押し詰まりの説明図であり、（ａ）は、コークス炉の建造時の炭化室３及び燃焼室４を示し、（ｂ）は、（ａ）に示す炭化室３の内壁３ｂが変形して、内壁３ｂの一部が張り出している状態を示している。図２（ａ）及び（ｂ）ともに、炭化室３及び燃焼室４の窯口３ａ近傍の水平断面を示し、コークス１１を押出ラム６０で押し出す状態を示している。炭化室３及び燃焼室４は、耐火物が複数積み上げられて構成されており、燃焼室４は、複数の燃焼フリューを有し、該燃焼フリューを複数形成するように耐火物が積み上げられている。炭化室３は、対向する一対の炉壁（内壁）３ｂを有し、該内壁３ｂを形成するように耐火物が積み上げられている。

図２（ａ）に示す炭化室３においては、コークスの押し詰まりは生じない。押出ラム６０は、ラムヘッド６１と、該ラムヘッド６１が取り付けられるラムビーム６２と、からなる。押出機６は、押出ラム６０と、該押出ラム６０のラムビーム６２に接続する押出ラム駆動装置（図示せず）を備えており、該押出ラム駆動装置によってラムビーム６２を駆動させ、押出ラム６０を炭化室３に挿入し、コークス１１にラムヘッド６１を押し当てて、炭化室３からコークス１１を押し出す。図２（ａ）に示すように、コークス炉１の建造時においては内壁３ｂは平坦であり、コークス１１が押し出される際、内壁３ｂに接触するとしても、接触面積はあまり大きくなく、押し出し負荷（駆動力）をあまり大きくせずとも、コークス１１を炭化室から容易に押し出すことができる。

一方で、図２（ｂ）に示す炭化室３においては、コークスの押し詰まりが生じやすい。コークス炉１の老朽化に伴い、耐火物の一部が損耗して変形したり、耐火物の目地が広がるなどして、平坦であった炭化室の内壁３ｂの一部が張り出して、内壁３ｂに凸凹部が生じる場合がある。張出部分３１が生じると、コークス１１が押し出される際、内壁３ｂに接触する可能性が高くなる上に、接触する場合、コークス１１と内壁３ｂとの接触部分が増えて、接触面積が大きくなってしまう。そうなると、押出ラム６０に掛ける負荷（駆動力）を大きくしないと、コークス１１を炭化室から押し出しにくくなる。また、押出ラム６０に掛ける負荷を大きくして、コークス１１を押し出そうとすると、コークス１１と内壁３ｂとの摩擦が強くなり、内壁３ｂの損耗・変形が更に進んでしまうというおそれもある。

本発明者は、コークス炉１の操業において、内壁３ｂの一部が張り出している炭化室３におけるコークス１１の押し出し状況及び内壁３ｂの状態の経時変化を観察し、押し詰まりの発生を抑える方法を検討した。その検討の結果、本発明者は、内壁３ｂの張出量を測定し、該張出量が顕著な部分を特定し、その部分を有する炭化室３に、その部分にコークス１１が接触しない程度の量の石炭を装入するようにすれば、押し詰まりの発生を抑え得ると考えた。

そこで、本発明者は、老朽化したコークス炉１の操業における、炭化室３の内壁３ｂの張出量［ｍｍ］と押し詰まりの発生率［％］との関係を調査した。その関係を表すグラフを図３に示す。内壁３ｂの張出量の基準として、コークス炉１の建造時の熱間寸法に基づいた炭化室３の内壁３ｂの位置を採用する。図２（ｂ）に示す点線は、その位置を表している。その位置から、張出部分３１における最も突出している部位までの距離を、炭化室３の内壁３ｂの張出量ｄ［ｍｍ］とする。図２（ｂ）に示す一点鎖線は、張出部分３１における最も突出している部位の位置を表している。内壁３ｂの表面の測定方法としては、特開２０１３−８２９０９号公報に記載されているコークス炉炉壁形状診断方法を採用でき、これにより、内壁３ｂの表面形状（凹凸、炭化室３の幅の変化）を測定することができ、測定結果から張出量ｄおよび、張出部分３１の位置（炭化室高さ方向、奥行き方向）を決定することができる。内壁３ｂに、張出部分３１が複数存在している場合には、張出量ｄのうち最大となる最大張出量を、内壁３ｂの張出量ｄの代表値とし、張出部分３１が１箇所の場合には、その部分の張出量ｄを代表値とする。

炭化室３に押し詰まりが発生する場合は、押出しラム６０に最大駆動力を掛けてもコークスが移動しなくなる場合である。図３では、複数の炭化室３（図１参照）の各々における内壁３ｂの最大張出し量を測定し、測定対象の炭化室３において通常の石炭装入高さまで装入を行って複数回の操業を行った時の押し詰まり発生率（押し詰まり発生回数／全押出し回数×１００）を１点としてプロットしてある。

図３に示すグラフからわかるように、張出量ｄが１０ｍｍを超える炭化室においては、押し詰まり発生率は２％を超える炭化室があるが、少なくとも張出量ｄが２０ｍｍ未満であれば、内壁が張り出している炭化室であっても、押し詰まり発生率は５％以下で済む傾向がある。また、張出量が２０ｍｍ以上の炭化室においては、総じて、押し詰まり発生率が５％を超える傾向が顕著である。すなわち、張出量が２０ｍｍ未満では、ほとんど問題なく操業可能と判断できるのに対し、張出し量が２０ｍｍ以上の炭化室では、押し詰まり発生率が著しく高まる可能性があるので、押し詰まりを防止するための何らかの措置を講ずることが好ましいと判断できる。従来、張出量が大きければ、コークスの押出し抵抗が増大し、押し詰まりが発生しやすくなるという定性的な傾向は認識されていたものの、上述のような特定の張出量（２０ｍｍ）以上の場合に、押し詰まり発生率が著しく高くなるという知見は得られていなかった。

この知見に基づき、本発明者は押し詰まりを防止する方法を検討した。まず、炭化室の内壁のどの位置に張出し量の大きい部位が存在する傾向が高いかを調査した。その結果、通常操業において、炭化室内に装入される石炭層の上面に近い高さの位置の内壁の張り出しが大きい場合が多いことを見出した。このような傾向となる明確な原因は明確ではないが、石炭層上面より下の炉壁は、乾留中に石炭（および石炭から生成したコークス）から炭化室が広がる方向の膨張圧を受け、更には、コークスを排出する際にもコークス層から炭化室が広がる方向の荷重を受けるのに対し、石炭層上面より上の部分では、内壁の張り出しを押さえる方向の力が働きにくいことが、その原因と推察される。加えて、コークスを押出す際には、ラムからの荷重を受けたコークス層上面がせり上がることが知られているため、このせり上がった部分のコークスが、炉壁の張出部分と接触することによって、押出し負荷が過大になると推察される。

前記知見及び推察からすれば、張出量が２０ｍｍ以上の炭化室では、装入する石炭の量を減らすようにすれば、押し詰まりの発生を劇的に抑え得ることが予想される。しかし、炭化室内の石炭およびコークス層上面のレベルは、石炭およびコークスの収縮により乾留中に低下する傾向があることが知られており、また、コークス押出しの際に、コークスケーキがどの程度上方にせり上がるかも知られていないため、どの程度装入する石炭の量を減らせば押し詰まり低減の効果が得られるかは自明ではない。そこで、本発明者らは、コークス炉の建造時の熱間寸法における炭化室の内壁の位置よりも張り出している内壁部分の張出量ｄとその炭化室内での高さ方向における位置を調査し、炭化室に装入された石炭の上面を、張出量が２０ｍｍ以上の内壁部分の高さ以下とすることによって、後述する実施例に記載するように、コークスの押し詰まりの発生率を抑え得ることを確認した。

コークス炉の操業において、通常は、石炭を装入した後に、積層した石炭をレベラーでならす。炭化室に装入された石炭の上面として、そのならして平坦となった石炭の上面を採用する。レベラーを用いない操業の場合には、炭化室に装入されて積層する石炭の上面として、積層した石炭の上面の平均の高さを採用する。なお、装入された石炭の上面の高さは、炭化室上部から棒等を炭化室内に挿入したり、非接触式のレベル計を用いるなどして計測することができ、その計測値を基に、石炭装入量を決定して装入高さを設定することができる。また、炭化室内の石炭の嵩密度に基づいて所定の上面の高さ（体積）となるように石炭装入量を決定することで、装入高さを調整できる。

内壁部分の張出量の測定タイミングは、コークス炉１の操業中での、炭化室３に石炭を装入する前や炭化室３からコークス１１を押し出した後が好ましい。常に、石炭を炭化室３に装入する前後で、張出量ｄを測定することになるからである。しかしながら、コークス炉１の補修を行う際などの休止時であってもよい。

従来の操業方法では、押し詰まり発生率の高い炭化室では、石炭の装入量を必要以上に少なくして押し詰まりを回避しようとしていた。しかしながら、本発明の方法によれば、押し詰まりの発生率を抑えることができるだけでなく、押し詰まりが発生する可能性が少ない状態として、石炭を炭化室に可能な限り多く装入することができるので、生産量の低下も防ぐことができる。

図１に示す、老朽化したコークス炉１の操業を行ない、本発明の効果を検証した。コークス炉１は炭化室３を８６個有し、稼動開始後４０年以上経過した老朽化したものである。上記炭化室３のうちから、１０個の炭化室（炭化室Ａ〜Ｊ）を選定し、特開２０１３−８２９０９号公報に記載の方法により炭化室内壁の形状を計測した。炭化室炉壁の部位（炉底からの高さ、窯口からの距離）における、建造時の熱間における部位の位置（炭化室幅方向位置）と、計測された部位の位置（炭化室幅方向位置）の差から各部位における張出量ｄを算出した。

炭化室（Ａ〜Ｊ）において、石炭をレベラーの高さまで装入して、通常の石炭装入量で石炭の乾留を複数回行った（比較例）。また、各炭化室における張出量の最大値（最大張出量）、及び、張出量が２０ｍｍ以上となる部分のうち、最も低い高さにある部位の炭化室炉底からの高さ（張出部分の高さ）を把握し、石炭上面の高さが張出部分の高さ以下となる石炭装入量の上限値をあらかじめ算出しておいた。前記比較例に対して、炭化室（Ａ〜Ｊ）において、算出しておいた石炭装入量の上限値以下の量の石炭を装入して、石炭の乾留を複数回行った（本発明例）。

本発明例及び比較例の操業において、押出しラム６０に最大駆動力を掛けてもコークスが移動しなくなる押し詰まりが発生する割合（押し詰まり発生率＝押し詰まり発生回数／全押出し回数×１００）を調査した。炭化室（Ａ〜Ｊ）での最大張出量、張出部分の高さや、軽装入量、押し詰まり発生率を表１に示す。

ここで、軽装入量とは、比較例での通常の石炭装入量と本発明例での各炭化室での石炭装入量との差を意味する。

表１からわかるように、本発明例では比較例に比べて、押し詰まり発生率が大きく低下することがわかった。本発明の方法を採用することによって、押し詰まり発生率を大きく低下させることが可能であると確認できる。

１ コークス炉
２ 蓄熱部
３ 炭化室
３ａ 窯口
３ｂ 内壁（炉壁）
４ 燃焼室
５ 装炭車
６ 押出機
８ ガイド車
９ 消火車
１１ コークス
３１ 張出部分
６０ 押出ラム
６１ ラムヘッド
６２ ラムビーム

Claims (1)

1. コークス炉の炭化室に石炭を装入するコークス炉の操業方法であって、
   前記コークス炉の建造時の熱間寸法に基づく、炭化室の内壁の位置よりも張り出している内壁部分の張出量を調査し、
   前記炭化室に装入される石炭の上面を、前記張出量が２０ｍｍ以上の内壁部分の高さ以下に下げて当該炭化室への石炭装入量を減らすことを特徴とするコークス炉の操業方法。

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