JP6127362B2 - コークス炉の炭化室壁状態判定方法およびその装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の炭化室の両側に燃焼室が隣接して交互に設けられたコークス炉の炭化室壁の状態を判定するコークス炉の炭化室壁状態判定方法およびその装置に関するものである。

コークス炉には、石炭を高温乾留するための炭化室と、炭化室を加熱するための燃焼室とが交互に配置される。コークス炉でのコークスの製造は、原料となる石炭を炭化室内に充填し、約１０００℃の高温で２０時間程度乾留した後、押出し機で、生成コークスを炭化室から押し出すサイクルを繰り返すことによって行われる。炭化室は、室内に充填された石炭への熱伝導率を高めるために、一般に、幅４００〜５００mm、長さ約１５０００〜２００００mm、高さ約４０００〜７０００mという狭幅の細長い空間であり、炭化室の炉壁は耐火煉瓦で構成されている。

ここで、炉壁が耐火煉瓦であっても、過酷な条件の間欠的な連続操業によって、欠損箇所が生じたり（図７の２２参照）、カーボンの付着が生じたりする（図７の２１参照）。コークス炉の炭化室壁にカーボンが付着することは、押し出し時の押し詰まり、または炭化室壁への負荷増大から、炭化室壁煉瓦の損傷の原因となる。このため、炭化室壁のカーボン付着状態を判定し、その量が規定値以上となる場合には、カーボン除去を行う必要がある。また、炭化室壁煉瓦の損傷は修復を行わなければ、損傷部分が広がり、修復不可能となるため、迅速に損傷箇所を補修する必要がある。

このため、従来、オペレータによる目視や押し出し時の感覚という人間の勘に頼ってカーボン付着、耐火煉瓦の損傷という炭化室壁の状態を判定していた。また、押出し機に設置された圧力計によって取得された押出し力、あるいは押出しラム駆動モータの電流値の変動から推定される、押出し力の変化から炭化室壁の状態を評価していた（特許文献１参照）。あるいは、押出しラムに設置された炉体モニタ、炉壁形状計を用いて炭化室壁の状態を評価するようにしていた（特許文献２，３参照）。

特開２００８−８１５２３号公報 特開２００７−３３２３８２号公報 特開２００５−２４９６９８号公報

しかしながら、上述した人間の勘に頼ったものでは、炭化室壁の状態を定量的に評価することができない。また、特許文献１による押出し力変動をもとに炭化室壁の状態を評価するようにしているが、この押出し力変動は、生成されたコークスの状態の影響を受けるため、十分な精度で炭化室壁の状態を評価することができない。さらに、特許文献２，３では、炉体モニタや炉壁形状計を用いて炉体の状態を定量的に評価することができるが、炭化室内の計測範囲が限られており、炭化室全体の状態を評価することができない。ここで、炭化室全体を計測できるように多数の炉体モニタを設置することが考えられるが、この計測装置が大掛かりなものとなるという問題がある。一方、１つの計測装置によって炭化室全体を走査することによって炭化室全体を計測することも考えられるが、この場合、計測時間が長くなるという問題がある。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易かつ迅速に炭化室壁の状態を判定することができるコークス炉の炭化室壁状態判定方法およびその装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかるコークス炉の炭化室壁状態判定方法は、複数の炭化室の両側に燃焼室が隣接して交互に設けられたコークス炉の炭化室壁の状態を判定するコークス炉の炭化室壁状態判定方法であって、炭化室に装入される装入炭緒元を取得し、該炭化室の乾留中の炭化室平均温度を取得し、さらに該炭化室の乾留中の発生ガス温度変化をもとに火落時間を算出する炭化情報取得ステップと、前記装入炭緒元および前記炭化室平均温度に対する火落時間の関係をもとに炭化室壁熱伝導率を算出する熱伝導率算出ステップと、前記炭化室壁熱伝導率をもとに炭化室壁の状態を判定する状態判定ステップと、を含むことを特徴とする。

また、この発明にかかるコークス炉の炭化室壁状態判定方法は、上記の発明において、前記炭化室情報取得ステップで算出した火落時間を前記装入炭緒元および前記炭化室平均温度で規格化した規格化火落時間を算出する規格化ステップをさらに含み、前記熱伝導率算出ステップは、前記規格化火落時間をもとに炭化室壁熱伝導率を算出することを特徴とする。

また、この発明にかかるコークス炉の炭化室壁状態判定方法は、上記の発明において、前記状態判定ステップは、前記炭化室壁熱伝導率が所定閾値以下となった場合に、炭化室壁の状態が劣化していると判定することを特徴とする。

また、この発明にかかるコークス炉の炭化室壁状態判定方法は、上記の発明において、前記状態判定ステップは、前記炭化室壁熱伝導率の変化率が所定変化率以上となった場合に、炭化室の状態が劣化していると判定することを特徴とする。

また、この発明にかかるコークス炉の炭化室壁状態判定方法は、上記の発明において、前記状態判定ステップが前記炭化室が劣化していると判定された場合に、前記炭化室が劣化している旨を報知する報知ステップをさらに含むことを特徴とする。

また、この発明にかかるコークス炉の炭化室壁状態判定装置は、複数の炭化室の両側に燃焼室が隣接して交互に設けられたコークス炉の炭化室壁の状態を判定するコークス炉の炭化室壁状態判定装置であって、炭化室に装入される装入炭緒元を取得し、該炭化室の乾留中の炭化室平均温度を取得し、さらに該炭化室の乾留中の発生ガス温度変化をもとに火落時間を算出する炭化情報取得部と、前記装入炭緒元および前記炭化室平均温度に対する火落時間の関係をもとに炭化室壁熱伝導率を算出する熱伝導率算出部と、前記炭化室壁熱伝導率をもとに炭化室壁の状態を判定する状態判定部と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、炭化室に装入される装入炭緒元を取得し、該炭化室の乾留中の炭化室平均温度を取得し、さらに該炭化室の乾留中の発生ガス温度変化をもとに火落時間を算出し、前記装入炭緒元および前記炭化室平均温度に対する火落時間の関係をもとに炭化室壁熱伝導率を算出し、前記炭化室壁熱伝導率をもとに炭化室壁の状態を判定するようにしているので、簡易かつ迅速に炭化室壁の状態を判定することができる。

図１は、この発明の実施の形態にかかるコークス炉の炭化室壁状態判定装置を含むコークス炉の全体概要を示す模式図である。 図２は、この発明の実施の形態によるコークス炉の炭化室壁状態判定処理手順を示すフローチャートである。 図３は、火落時間の計測を説明する説明図である。 図４は、火落時間の炭化室壁平均温度依存性を示す図である。 図５は、炭化室壁熱伝導率の規格化火落時間依存性を示す図である。 図６は、炭化室壁熱伝導率の時間変化の一例を示す図である。 図７は、炭化室壁の状態を模式的に示した断面図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

図１は、この発明の実施の形態にかかるコークス炉の炭化室壁状態判定装置を含むコークス炉全体の構成を示す模式図である。図１において、コークス炉１は、装入炭を乾留する複数の炭化室３−１〜３−ｎと、各炭化室３−１〜３−ｎを挟むように交互に隣接配置される複数の燃焼室２−１〜２−（ｎ＋１）とを有する。各燃焼室２−１〜２−（ｎ＋１）には、燃焼ガスの全体供給量を調整するガスコックＶ１および各燃焼室２−１〜２−（ｎ＋１）に対応したガスコックＶ２−１〜Ｖ２−（ｎ＋１）を介して燃焼ガスが供給される。ガスコックＶ２−１〜Ｖ２−（ｎ＋１）は、隣接する炭化室に装入される装入炭の諸元（装入炭量や装入炭水分量など）をもとに予め開度調整がされている。一方、ガスコックＶ１の開度調整は、制御装置４により、乾留経過時間の経過に伴って調整制御される。

各燃焼室２−１〜２−（ｎ＋１）には、実績燃焼室温度を計測する温度センサＳ１−１〜Ｓ１−（ｎ＋１）がそれぞれ設けられ、計測された実績燃焼室温度は、制御装置４に送出される。また、各炭化室３−１〜３−ｎの装入炭の装入時点は、炭化室への装入炭の装入実績が装炭車から伝送されるため、この装入実績の伝送をもって装入時点とし、この装入時点は、制御装置４に送出される。また、各炭化室３−１〜３−ｎには、炭化室から発生される発生ガスの温度を検出する温度センサＳ２−１〜Ｓ２−ｎが設けられ、各炭化室３−１〜３−ｎの発生ガス温度は、制御装置４に送出される。

制御装置４は、炭化室壁状態判定部１０を有し、各炭化室の火落時間をもとに各炭化室壁の状態を判定する。炭化室壁状態判定部１０は、炭化情報取得部１１、規格化火落時間算出部１２、熱伝導率算出部１３、状態判定部１４、および報知部１５を有する。この炭化室壁状態判定部１０による炭化室壁状態判定処理については後述する。

データベース５には、火落時間関係保持部５ａおよび装入炭緒元５ｂが格納されている。火落時間関係保持部５ａは、図５に示すように、炭化室壁熱伝導率の規格化火落時間依存性を格納している。また、入出力部６は、制御装置４に対して各種情報あるいは指示を入力するとともに各種結果を出力する入出力デバイスである。

ここで、図２に示すフローチャートを参照して、炭化室壁状態判定部１０による炭化室壁状態判定処理手順について説明する。図２に示すように、まず、炭化情報取得部１１は、各炭化室３−１〜３−ｎに装入された装入炭緒元５ｂをデータベース５から取得する（ステップＳ１０１）。この装入炭緒元とは、例えば、炭化室への装炭量、装入炭中の水分、粒度、揮発分などである。この装入炭緒元は、火落時間に影響を与える要因である。その後、炭化室平均温度Ｔaveおよび火落時間ｔfeを算出する（ステップＳ１０２）。図３に示すように、炭化室平均温度Taveは、装入炭の乾留に伴って変化する発生ガス温度Ｔの平均温度であり、火落時間ｔfe内の平均温度である。一方、火落時間ｔfeは、炭化室への装入時点ｔ１から火落時点ｔ２までの時間である。火落時点ｔ２は、発生ガス温度Tが最大値を超えた後の所定の温度降下直線Ｌ１と所定の火落判定直線Ｌ２との交点に対応する時点である。したがって、炭化室平均温度Ｔaveと火落時間ｔfeとは、火落時点ｔ２で求まることになる。

その後、規格化火落時間算出部１２は、規格化火落時間の算出を行う（ステップＳ１０３）。火落時間ｔfeは、図４に示すように、炭化室平均温度Ｔaveおよび装入炭緒元に依存する値である。このため、火落時間ｔfeを、炭化室平均温度Ｔaveおよび装入炭緒元によって規格化した規格化火落時間ｔnを算出する。この規格化火落時間ｔnは、炭化室平均温度Taveおよび装入炭緒元の値に影響を受けない値となる。この規格化火落時間ｔnの算出は、炭化室平均温度Taveおよび装入炭緒元を用いた理論的な演算によって行ってもよいし、過去の実績データを用いた重回帰演算によって求めてもよい。重回帰演算を行う場合、炭化室平均温度Taveおよび各種の装入炭緒元が説明変数となり、重回帰式が火落時間関係保持部５ａに格納される。

その後、熱伝導算出部１３は、火落時間関係保持部５ａに保持された、図５に示すような炭化室壁熱伝導率κの規格化火落時間ｔn依存性をもとに、ステップＳ１０３で求めた規格化火落時間ｔnに対応する炭化室壁熱伝導率κを算出する（ステップＳ１０４）。炭化室壁伝導率κは、図５に示すように規格化火落時間ｔnの増大とともに減少する特性を有する。これは、炭化室壁へのカーボン付着量が増加すると、炭化室壁熱伝導率κが低下し、規格化火落時間ｔnが増大するからである。

その後、状態判定部１４は、炭化室壁熱伝導率κが閾値κth以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０５）。図６は、炭化室壁熱伝導率κの時間変化の一例を示した図である。図６に示すように、炭化室壁熱伝導率κは、時間の経過とともに低下する。これは、炭化室壁に付着するカーボン量が増加するためである。閾値κthは、コークスの押し出し時の押し詰まりや炭化室の損傷を未然を防止することが可能な最低ラインである。

その後、状態判定部１４は、炭化室壁熱伝導率κが閾値κth以下である場合（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）には、炭化室壁が劣化状態にあると判定し（ステップＳ１０６）、報知部１５は、その旨を入出力部６を介して出力させ（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０１に移行し、上述した処理を繰り返す。一方、状態判定部１４は、炭化室壁熱伝導率κが閾値κth以下でない場合（ステップＳ１０５，Ｎｏ）には、そのままステップＳ１０１に移行し、上述した処理を繰り返す。なお、この炭化室壁状態判定処理の開始は、装入炭緒元の取得ができる（ステップＳ１０１）とき、すなわち各炭化室ごとに、装入炭の装入時点をトリガとして開始する。

なお、状態判定部１４は、炭化室壁熱伝導率κが閾値κth以下である場合に、炭化室壁が劣化状態にあると判定していたが、これに限らず、例えば、図６に示すように、時点ｔ１１，ｔ１２のように、炭化室壁熱伝導率κの時間変化が所定値以上に急激である場合に、炭化室壁が劣化状態にあると判定する。時点ｔ１１の場合には、カーボン付着量が急激に増大した場合であり、時点ｔ１２の場合には、炭化室壁の煉瓦が目地切れやひび割れが生じた場合に相当する。

また、閾値κthは１つ設定されているが、これに限らず、段階的に複数設けてもよい。さらに、報知部１５は、閾値κth以下とならない場合に、炭化室壁は正常である旨を報知出力するようにしてもよい。

なお、上述した実施の形態では、規格化火落時間ｔnを用いて炭化室壁熱伝導率κを求めるようにしていたが、これに限らず、図４に示した火落時間に対する炭化室平均温度Ｔaveおよび装入炭緒元の依存性を用いて炭化室壁熱伝導率κを直接求めるようにしてもよい。この場合、図４に示した３次元グラフに、炭化室壁熱伝導率κの次元が加わった４次元グラフとなる。

この実施の形態では、炭化室に装入される装入炭緒元を取得し、この炭化室の乾留中の炭化室平均温度Ｔaveを取得し、さらに炭化室の乾留中の発生ガス温度変化をもとに規格化火落時間ｔnあるいは火落時間ｔfeを算出し、装入炭緒元および炭化室平均温度Ｔaveに対する火落時間の関係をもとに炭化室壁熱伝導率κを算出し、この炭化室壁熱伝導率κをもとに炭化室壁の状態を判定するようにしているので、簡易かつ迅速に炭化室壁の状態を判定することができる。

なお、上述した炭化室壁の状態、すなわち炭化室壁熱伝導率κを用いてコークス炉の燃焼制御を適切に行うことができる。すなわち、各炭化室壁熱伝導率κを用いて各炭化室の熱容量を求め、この熱容量をもとに全燃焼室に必要な熱容量を求め、この熱容量に対応する燃焼ガスの全体供給量となるようにガスコックＶ１を調整することによってコークス炉の燃焼制御を行うことができる。この燃焼制御を行うことによって、無駄なエネルギーを使用しない最適燃焼運転を行うことができる。

１ コークス炉
２−１〜２−（ｎ＋１） 燃焼室
３−１〜３−ｎ 炭化室
４ 制御装置
５ データベース
５ａ 火落時間関係保持部
５ｂ 装入炭緒元
６ 入出力部
１０ 炭化室壁状態判定部
１１ 炭化情報取得部
１２ 規格化火落時間算出部
１３ 熱伝導率算出部
１４ 状態判定部
１５ 報知部
Ｖ１，Ｖ２−１〜Ｖ２−（ｎ＋１） ガスコック
Ｓ１−１〜Ｓ１−（ｎ＋１），Ｓ２−１〜Ｓ２−ｎ 温度センサ
Ｔave 炭化室平均温度
ｔfe 火落時間

Claims (5)

1. 複数の炭化室の両側に燃焼室が隣接して交互に設けられたコークス炉の炭化室壁の状態を判定するコークス炉の炭化室壁状態判定方法であって、
   炭化室に装入される装入炭の装炭量、水分、粒度、揮発分を含む装入炭緒元を取得し、該炭化室の乾留中の発生ガス温度変化をもとに、該炭化室への装入時点から、該炭化室の乾留中の発生ガス温度が最大値を超えた後の所定の温度降下直線と所定の火落判定直線との交点に対応する時点である火落時点までの時間である火落時間を算出し、該炭化室の乾留中の発生ガス温度をもとに、前記火落時間内の発生ガス温度の平均温度である炭化室平均温度とを算出する炭化情報取得ステップと、
   炭化室の炉壁にカーボンが付着していない場合における装入炭緒元、炭化室平均温度、火落時間に関する過去の実績データをもとに、重回帰演算によって装入炭緒元および炭化室平均温度を説明変数とし火落時間を目的変数とする重回帰式を算出し、前記炭化室情報取得ステップで算出した火落時間と、装入炭緒元および炭化室平均温度を用いて当該重回帰式を用いて算出した火落時間とのずれの量を、当該重回帰式を用いて算出した火落時間で割って得た規格化火落時間を算出する規格化ステップと、
   炭化室の炉壁にカーボンが付着した場合における装入炭緒元、炭化室平均温度、火落時間の過去の実績データを用いた重回帰演算によって予め求められた炭化室壁熱伝導率の前記規格化火落時間の依存性をもとに、前記規格化ステップが算出した前記規格化火落時間の変化に対応する炭化室壁熱伝導率の変化を求めて前記炭化室壁の劣化状態を判定する状態判定ステップと、
   を含むことを特徴とするコークス炉の炭化室壁状態判定方法。
2. 前記状態判定ステップは、前記炭化室壁熱伝導率が所定閾値以下となった場合に、炭化室壁の状態が劣化していると判定することを特徴とする請求項１に記載のコークス炉の炭化室壁状態判定方法。
3. 前記状態判定ステップは、前記炭化室壁熱伝導率の変化率が所定変化率以上となった場合に、炭化室壁の状態が劣化していると判定する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の炭化室壁状態判定方法。
4. 前記状態判定ステップで前記炭化室壁が劣化していると判定された場合に、前記炭化室壁が劣化している旨を報知する報知ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のコークス炉の炭化室壁状態判定方法。
5. 複数の炭化室の両側に燃焼室が隣接して交互に設けられたコークス炉の炭化室壁の状態を判定するコークス炉の炭化室壁状態判定装置であって、
   炭化室に装入される装入炭緒元を取得し、装入炭の装炭量、水分、粒度、揮発分を含む装入炭緒元を取得し、該炭化室の乾留中の発生ガス温度変化をもとに、該炭化室への装入時点から、該炭化室の乾留中の発生ガス温度が最大値を超えた後の所定の温度降下直線と所定の火落判定直線との交点に対応する時点である火落時点までの時間である火落時間を算出し、該炭化室の乾留中の発生ガス温度をもとに、前記火落時間内の発生ガス温度の平均温度である炭化室平均温度とを算出する炭化情報取得部と、
   炭化室の炉壁にカーボンが付着していない場合における装入炭緒元、炭化室平均温度、火落時間に関する過去の実績データをもとに、重回帰演算によって装入炭緒元および炭化室平均温度を説明変数とし火落時間を目的変数とする重回帰式を算出し、前記炭化室情報取得部で算出した火落時間と、装入炭緒元および炭化室平均温度を用いて当該重回帰式を用いて算出した火落時間とのずれの量を、当該重回帰式を用いて算出した火落時間で割って得た規格化火落時間を算出する規格化火落時間算出部と、
   炭化室の炉壁にカーボンが付着した場合における装入炭緒元、炭化室平均温度、火落時間の過去の実績データを用いた重回帰演算によって予め求められた炭化室壁熱伝導率の前記規格化火落時間の依存性をもとに、前記規格化火落時間算出部が算出した前記規格化火落時間の変化に対応する炭化室壁熱伝導率の変化を求めて前記炭化室壁の劣化状態を判定する状態判定部と、
   を備えたことを特徴とするコークス炉の炭化室壁状態判定装置。

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