JP6264993B2

JP6264993B2 - コークス炉の擁壁冷却構造

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Publication number: JP6264993B2
Application number: JP2014064729A
Authority: JP
Inventors: 横溝　正彦; 正彦横溝; 輝雄中山; 太一本山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2034-03-26
Also published as: JP2015187218A

Description

本発明は、炉団長方向に炭化室と燃焼室が交互に配置され、炉団長方向両端にコンクリート製の擁壁を設けたコークス炉の擁壁冷却構造に関するものである。

室炉式コークス炉とも呼ばれるコークス炉は、下層部分に蓄熱室、上層部分に炭化室と燃焼室が配置される。下層の蓄熱室と上層との間の部分は蛇腹部とも呼ばれる。炉団長方向に多数の炭化室と燃焼室が交互に配置されている。炉団長方向両端には、コンクリート製の擁壁が設けられ、両擁壁間の煉瓦構築物を保持する機能を果たしている（例えば特許文献１参照）。炭化室の長手方向を炉長方向という。

コークス炉下層において、擁壁と隣接するのは蓄熱室であり、上層において擁壁と隣接するのは燃焼室である。擁壁と隣接する蓄熱室、燃焼室と擁壁との間には煉瓦構造部が設けられる。燃焼室、蓄熱室ともに高温に保持されているので、これら高温部分から煉瓦を経由して擁壁に熱流束が流れる。ポルトランドセメントを用いて構築されるコンクリート製の擁壁は耐熱温度がせいぜい１００℃程度であり、１００℃を超える温度に長時間さらされるとコンクリートが劣化していく。擁壁の温度を極力低温に抑えるため、燃焼室と擁壁との間の煉瓦構造部の厚みを厚くすることによって対応している。

特開２００８−７５０１８号公報

近年、コークス炉の稼働年数が一斉に寿命に達し、再建の時期となっている。煉瓦構造部については、すべて解体して再構築するが、炉団長方向両端のコンクリート製擁壁については解体せずそのまま再利用できればよい。実際、コークス炉を数十年稼働した後に煉瓦構築部を解体してみると、煉瓦構築部に接していた擁壁が劣化してぼろぼろになっている事例が見られる。当該コークス炉の擁壁冷却構造が十分ではなく、擁壁の温度が１００℃を超えていたことが原因であると推定される。

本発明は、炉団長方向に炭化室と燃焼室が交互に配置され、炉団長方向両端にコンクリート製の擁壁を設けたコークス炉において、擁壁の温度を低下することによって擁壁の劣化を防止することのできる擁壁冷却構造を提供することを目的とする。

（１）炉団長方向に炭化室と燃焼室が交互に配置され、炉団長方向両端にコンクリート製の擁壁を設けたコークス炉の擁壁冷却構造であって、炭化室の長手方向を炉長方向とし、擁壁と煉瓦部との境界に空気が流通する空洞部を設け、炉長方向に伸びる空洞部（「水平ダクト」という。）を上下方向に２以上設け、各水平ダクトの間に上下方向に伸びる空洞部（「垂直ダクト」という。）を炉長方向に複数箇所設け、各垂直ダクトは隣接する上下の水平ダクトと連通し、擁壁の厚みを貫通する空気導入孔を設け、空気導入孔は前記水平ダクトと同じ高さであって水平ダクトに連通するように設けることを特徴とするコークス炉の擁壁冷却構造。
（２）水平ダクトおよび空気導入孔を上下方向に３以上設けることを特徴とする請求項１に記載のコークス炉の擁壁冷却構造。
（３）上下方向中段の水平ダクトは、燃焼室最下部から２ｍ上方を上限とし、蓄熱室上部の空間部が狭小する部位を下限とする高さ範囲に設けることを特徴とする請求項２に記載のコークス炉の擁壁冷却構造。
（４）擁壁に最も近い燃焼室と擁壁との間の煉瓦部に炉長方向に伸びる空間エリア（「空洞水平孔」という。）を上下方向に２カ所有し、各空洞水平孔の間に上下方向に伸びる空間エリア（「空洞垂直孔」という。）を炉長方向に複数箇所設け、空洞水平孔が炉長方向両端で外気部分と連通していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のコークス炉の擁壁冷却構造。

本発明は、炉団長方向に炭化室と燃焼室が交互に配置され、炉団長方向両端にコンクリート製の擁壁を設けたコークス炉の擁壁冷却構造において、擁壁と煉瓦部との境界に空気が流通する水平ダクトを上下方向に２以上設け、各水平ダクトの間に上下方向に空気が流通する垂直ダクトを炉長方向に複数箇所設け、擁壁の厚みを貫通する空気導入孔であって水平ダクトに連通するものを設けることにより、擁壁を冷却して擁壁の温度を低下することによって擁壁の劣化を防止することができる。

本発明の擁壁の冷却構造を示す図であり、（ａ）は炉団長方向端部のＡ−Ａ矢視部分断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視断面図である。本発明の擁壁の冷却構造を示す図であり、（ａ）は炉団長方向端部のＡ−Ａ矢視部分断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視断面図である。本発明の擁壁の冷却構造を示す図であり、（ａ）は炉団長方向端部のＡ−Ａ矢視部分断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視断面図である。

図１〜３に基づいて本発明を説明する。

本発明は、上段の炉団長方向２２に炭化室１と燃焼室２が交互に配置され、下段に蓄熱室３が配置され、炉団長方向両端にコンクリート製の擁壁４を設けたコークス炉を対象とする。炉長１６ｍ規模のコークス炉の場合、擁壁４の高さは１５ｍ程度、擁壁の厚さは１ｍ程度となる。コークス炉の上段において、擁壁４に最も近い燃焼室２Ｅと擁壁４との間は２ｍ弱の厚さで煉瓦が築造されており、擁壁と煉瓦築造物が接して構築される。コークス炉下段についても、擁壁４に最も近い蓄熱室３Ｅと擁壁４との間は煉瓦が構築されている。

本発明において、擁壁４と煉瓦部５との境界に空気が流通する空洞部を設ける。空洞部は、空気流通方向に伸び、空気流通方向に垂直な断面において、空洞部の壁を構成する一方の面は擁壁であり、他の面は煉瓦である。即ち、擁壁に接する煉瓦構築部に空気流通方向に伸びる溝を形成することにより、上記空洞部を形成することができる。

本発明の空洞部として、炉長方向に伸びる空洞部（水平ダクト６）と、各水平ダクト６の間に上下方向に伸びる空洞部（垂直ダクト７）とを有している。図１〜３それぞれの（ｂ）は、煉瓦部５の水平ダクト６と垂直ダクト７が配置された部分で切断した断面（Ｂ−Ｂ矢視断面）であり、図（ｂ）のハッチング部は煉瓦部５の断面を示し、同図の白色部分は水平ダクトと垂直ダクトの擁壁４側の壁が見えている部分である。各垂直ダクト７は、その上下方向両端において隣接する上下の水平ダクト６とつながり、当該連通部分で垂直ダクト７と水平ダクト６との間で空気の流通が可能となっている。水平ダクト６は上下方向に２以上設ける。水平ダクト６は、空気流通断面が０．０２ｍ²〜０．１３ｍ²程度とすると好ましい。また垂直ダクト７は、複数箇所設ける。空気流通断面が０．０１ｍ²〜０．０５ｍ²程度とすると好ましい。

擁壁４には、擁壁４の厚みを貫通する孔を設け、空気導入孔８と称する。空気導入孔８は水平ダクト６と同じ高さであって、空気導入孔８の炉内側端部において水平ダクト６とつながり、当該連通部分で両者の間で空気の流通が可能になっている。水平ダクト６は前述のとおり上下方向に２以上設けられ、空気導入孔８についても、水平ダクトの上下方向設置位置に応じて、上下方向の設置位置が２カ所以上となる。空気導入孔８は、空気流通断面が０．０３ｍ²〜０．１３ｍ²程度とすると好ましい。

図２に示すように、上下方向に水平ダクト６が２カ所設けられた場合について説明する。この場合、空気導入孔８の設置位置も、上下方向に２カ所となる。垂直ダクト７内の空気は、炉内側からの熱を受けて温度が上昇する。垂直ダクト７の上下両端は水平ダクト６と連通し、水平ダクト６と空気導入孔８が連通しているので、垂直ダクト７はその両端において外気とつながっている。そのため、熱せられた垂直ダクト７内の空気は上昇気流を生じ、上方の空気導入孔８を通って外気に放出される。一方、下方の空気導入孔８からは外気が導入され、水平ダクト６を経由して垂直ダクト７の下端に供給されることとなる。

本発明においては、コークス炉の炉長方向２１（炭化室の長手方向）において、垂直ダクト７の本数は、擁壁の冷却の均一性が確保できるように決定する。擁壁４の温度上昇をできるだけ均一に低減するためには、垂直ダクト７の設置本数を増やし、炉長方向における垂直ダクト７の間隔を狭めるほど良好な結果を得ることができる。たとえば、空気流通断面が０．０１ｍ²〜０．０５ｍ²程度の垂直ダクト７であれば、炉長方向に８カ所以上設けるのが好ましい。

空気導入孔８の設置個数については、同一高さにおいて炉長方向２１に１個以上を設置すればよい。空気導入孔８を出入りする空気は、空気導入孔８が通じている水平ダクト６を経由して炉長方向に流れることができるので、空気導入孔８の設置数が少なくても、水平ダクト６を経由して空気導入孔８に隣接する複数の垂直ダクト７と空気を流通することができる。一方、空気導入孔８の個数が増えれば空気導入孔１孔あたりで担当する垂直ダクト７の数が減少するので好ましい。同一高さでの炉長方向の空気導入孔８の設置数を３以上とすると好ましい。一方、数が多いとコンクリートパネルとしての強度が低下するため、１段に１０個以下が好ましい。

水平ダクトの炉長方向両端は、コークス炉の炉長方向端部に開口することとしてもよい。この場合には、水平ダクトの開口部も空気流通孔として機能する。従って、上記空気導入孔の設置個数が同一高さで１個であっても、炉長方向中央に空気導入孔を設置し、炉長方向両端の水平ダクト開口部とあわせて３カ所から空気流入・流出を行うことができる。

図２に示すように水平ダクト６を上下方向に２カ所設ける場合、下方の水平ダクト６は蓄熱室３の下端付近、上方の水平ダクト６は燃焼室２の上端付近を上下方向の設置位置とすると好ましい。これにより、蓄熱室３からの熱流束と燃焼室２からの熱流束のいずれも、上下の水平ダクト間に配設された垂直ダクト中の空気を加熱・昇温し、垂直ダクト中の高温の上昇気流となって上部の空気導入孔８から排出され、一方で下部の空気導入孔８から常温の空気が垂直ダクト下端に供給されることとなる。これにより、擁壁の上下方向いずれの箇所についても十分に温度を低下することができる。

図１に示すように、水平ダクト６を上下方向に３カ所以上設けることとするとより好ましい。水平ダクト６を３カ所設ける場合、上部と下部の水平ダクト６の上下方向設置位置は上記水平ダクト６を２カ所設ける場合と同様である。中段の水平ダクト６については、蓄熱室３と燃焼室２との中間位置に当たる蛇腹部付近とすると好ましい。擁壁の上下方向において、蛇腹部付近が最も温度上昇が激しくなるからである。この場合、中段の水平ダクト６と同じ高さであって水平ダクト６に連通するように、中段の空気導入孔８を擁壁４に設ける。

図１に示すように水平ダクト６を上下方向に３カ所設ける場合、中段の水平ダクト６は、燃焼室最下部から２ｍ上方を上限とし、蓄熱室上部の空間部が狭小する部位を下限とする高さ範囲（高温度高さ範囲２３）に設けると好ましい。当該高温度高さ範囲２３が、擁壁４にとってもっとも温度上昇が激しい部位だからである。

本発明の擁壁冷却構造は、上記のように擁壁と煉瓦部との境界に水平ダクトと垂直ダクトを設置することに加え、図３に示すように、擁壁４に最も近い燃焼室２Ｅと擁壁４との間の煉瓦部５に追加の冷却構造を設けることとすると好ましい。当該煉瓦部に設ける冷却構造は、炉長方向に伸びる上下２カ所の空間エリア（空洞水平孔９）と、各空洞水平孔９の間に上下方向に伸びる空間エリア（空洞垂直孔１０）からなる。空洞水平孔９は水平方向に伸びて空気を流通する空間であり、空洞垂直孔１０は垂直方向に伸びて空気を流通する空間であり、空洞垂直孔１０の上下両端で空洞水平孔９と連結して空気が相互間で流通可能となっている。水平空洞孔９は、空気流通断面が０．０２ｍ²〜０．１ｍ²程度とすると好ましい。垂直空洞孔１０は、１個あたりの空気流通断面が０．０１ｍ²〜０．０４ｍ²程度とすると好ましい。

空洞水平孔９は炉長方向両端の開口部３１で外気部分と連通している。これにより、垂直空洞孔１０内の空気が周囲の高温の煉瓦からの熱流束で加熱・昇温されて上昇気流となり、垂直空洞孔上端で上部の水平空洞孔９へ流れ、水平空洞孔端部の開口部３１から外気に放出される。一方、下部の水平空洞孔両端の開口部３１から常温の外気が水平空洞孔９に供給され、垂直空洞孔１０の下端から垂直空洞孔１０に供給される。これにより、高温の燃焼室２Ｅから低温の擁壁４に向かう熱流束の一部が外部に放出される。また、垂直空洞孔１０が断熱機能をも果たす。これらの相乗効果により、擁壁４の温度をより一層降下させることができる。

垂直空洞孔１０は炉長方向に複数箇所設ける。これにより、垂直空洞孔１０が設けられた上下方向全域を冷却するとともに、炉長方向についても、均一に冷却を行うことが可能となる。

図１〜３に示す、炭化室の高さが６ｍ、全高が煉瓦部分で１２ｍ、炉長が１５ｍの炭化室と燃焼室を合計で５０窯配置して１炉団を構成するコークス炉にて、本発明を適用した。炉団の端の燃焼室２Ｅ中心から擁壁４までの距離が１．９ｍ、擁壁４の厚みは０．８ｍである。

（比較例）
比較例として、水平ダクト、垂直ダクト、水平空洞孔、垂直空洞孔などの冷却機構を一切設けないコークス炉にて評価を行った。

上記比較例において、擁壁４の煉瓦に接する側の表面温度は１００℃を遙かに上回り、上段（燃焼室上部相当高さ）が１４０℃、中段（燃焼室下部相当高さ）が１５０℃、下段（蓄熱室下部相当高さ）が６０℃前後であった。コアサンプリングし分析した結果、長期間の操業により骨材とセメントペースト間が剥離し、亀裂が多数入り脆くなっており、更にコンクリートと鉄筋の接合が剥離する状態になっていた。

（実施例１）
実施例１では、図２に示すように、本発明の水平ダクト６を上下２カ所、垂直ダクト７を炉長方向２１に１４カ所、空気導入孔８を上下それぞれ炉長方向２１に６カ所設置した。水平ダクト６は空気流通断面積が０．０４５ｍ²、垂直ダクト７は１個あたりの空気流通断面積が０．０１ｍ²、空気導入孔８は空気流通断面積が０．０５ｍ²である。

上記実施例１において、擁壁の煉瓦に接する側の表面温度は、上段（燃焼室上部相当高さ）が１２０℃、中段（燃焼室下部相当高さ）が１３０℃、下段（蓄熱室下部相当高さ）が５０℃前後であった。これより、上記比較例と対比し、水平ダクト６、垂直ダクト７、空気導入孔８を設置する本発明の構成を追加することによる擁壁の冷却効果が明らかである。本法によれば、比較例に比べ若干コンクリート状態が改善される状態であった。が、コンクリート温度が１００℃を超える状態であることから、今後の更なる脆弱化が進むことが懸念された。

（実施例２）
図１に示すように、上記実施例１の構成に加え、水平ダクト６を上下方向に３カ所に増加した。あわせて空気導入孔８も高さ方向に３カ所としている。上部と下部の水平ダクト６は実施例１と同様の位置であり、中段の水平ダクト６は上下方向位置を蛇腹部に相当する位置とした。中段の水平ダクト６と空気導入孔８の空気流通断面積、空気導入孔個数は上段、下段のものと同様である。

上記実施例２において、擁壁の煉瓦に接する側の表面温度は、上段（燃焼室上部相当高さ）が９４℃、中段（燃焼室下部相当高さ）が９８℃、下段（蓄熱室下部相当高さ）が４０℃であった。

実施例２で中段の水平ダクト６を設置した蛇腹部高さ位置は、燃焼室最下部から２ｍ上方を上限とし、蓄熱室上部の空間部が狭小する部位を下限とする高さ範囲（「高温度高さ範囲２３」という。）に含まれる。高温度高さ範囲２３は、蓄熱室３の外部煉瓦構造、即ち燃焼ガスと燃焼用空気を下部から供給するダクトが輻輳している部位に該当し、特に擁壁表面が高温にさらされる部位に対応している。

実施例２で水平ダクトと空気導入孔を上下方向３カ所に設置し、特に上段と中段にコンクリートを貫通する空気導入孔を設けたことにより、擁壁の上部から下部にかけての全域において、煉瓦に接する擁壁表面温度が１００℃を超える部位がなくなり、擁壁全面において１００℃を下回ることができた。本法の試験結果では、コンクリートの温度は大幅に低下し、中性化による劣化に関する懸念はまったくなくなり、健全な状態が維持できていることを確認した。今後もこの状態を継続できる見通しを得た。

（実施例３）
図３に示すように、上記実施例２の構成に加え、擁壁４に最も近い燃焼室２Ｅと擁壁４との間の煉瓦部５に、炉長方向に伸びる上下２カ所の水平空洞孔９と、空洞水平孔９の間に上下方向に伸びる空洞垂直孔１０のみを設けたコークス炉にて評価を行った。上部の水平空洞孔９は燃焼室２の上端付近、下部の水平空洞孔９は燃焼室２の下端付近に設置した。垂直空洞孔１０は炉長方向に同一間隔で合計１８箇所配置している。水平空洞孔９は空気流通断面積が０．０３ｍ²、垂直空洞孔１０は１個あたりの空気流通断面積が０．０１ｍ²である。空洞水平孔は炉長方向両端の開口部３１で外気部分と連通している。
実施例３により、擁壁の煉瓦に接する側の表面温度は、上段（燃焼室上部相当高さ）が９２℃、中段（燃焼室下部相当高さ）が９６℃と低下した。下段（蓄熱室下部相当高さ）は実施例２と同様４０℃であった。もっとも高温になりやすい蛇腹部から燃焼室下部の領域の温度が９５℃まで低下して成果は、今後燃焼室側の予期温度上昇にも対応できるものと期待された。

１炭化室
２燃焼室
３蓄熱室
４擁壁
５煉瓦部
６水平ダクト
７垂直ダクト
８空気導入孔
９空洞水平孔
１０空洞垂直孔
２１炉長方向
２２炉団長方向
２３高温度高さ範囲
３１開口部
３２開口部

Claims

炉団長方向に炭化室と燃焼室が交互に配置され、炉団長方向両端にコンクリート製の擁壁を設けたコークス炉の擁壁冷却構造であって、炭化室の長手方向を炉長方向とし、
擁壁と煉瓦部との境界に空気が流通する空洞部を設け、炉長方向に伸びる空洞部（「水平ダクト」という。）を上下方向に２以上設け、各水平ダクトの間に上下方向に伸びる空洞部（「垂直ダクト」という。）を炉長方向に複数箇所設け、各垂直ダクトは隣接する上下の水平ダクトと連通し、擁壁の厚みを貫通する空気導入孔を設け、空気導入孔は前記水平ダクトと同じ高さであって水平ダクトに連通するように設けることを特徴とするコークス炉の擁壁冷却構造。
水平ダクトおよび空気導入孔を上下方向に３以上設けることを特徴とする請求項１に記載のコークス炉の擁壁冷却構造。
上下方向中段の水平ダクトは、燃焼室最下部から２ｍ上方を上限とし、蓄熱室上部の空間部が狭小する部位を下限とする高さ範囲に設けることを特徴とする請求項２に記載のコークス炉の擁壁冷却構造。
擁壁に最も近い燃焼室と擁壁との間の煉瓦部に炉長方向に伸びる空間エリア（「空洞水平孔」という。）を上下方向に２カ所有し、各空洞水平孔の間に上下方向に伸びる空間エリア（「空洞垂直孔」という。）を炉長方向に複数箇所設け、空洞水平孔が炉長方向両端で外気部分と連通していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のコークス炉の擁壁冷却構造。