JP6554940B2 - コークス炉蓄熱室の蓄熱煉瓦積み構造 - Google Patents

Description

本発明は、コークス炉蓄熱室の蓄熱煉瓦積み構造及びその煉瓦積み構造に用いる蓄熱煉瓦に関するものである。

室炉式のコークス炉は上下２段構造を有し、上段には、石炭を乾留する炭化室と、炭化室へ熱を供給するために燃料ガスと燃焼用空気を供給して燃焼する燃焼室を交互に配置し、下段には蓄熱室を有する。蓄熱室には熱交換の媒体となる煉瓦（以下「蓄熱煉瓦」という。）が配置されている。蓄熱室のサイクルでは、まず燃焼室からの高温の燃焼排ガスが低温の蓄熱煉瓦に接触して冷却され、蓄熱煉瓦が高温に熱せられる。次いで低温の燃料ガスと燃焼用空気が蓄熱室に導入されて高温の蓄熱煉瓦に接触して予熱され、蓄熱煉瓦が冷却される。コークス炉ではこのサイクルを２０〜３０分間の周期で繰り返し、コークス炉の操業を行う。

熱交換の媒体となる蓄熱煉瓦は、煉瓦の上下方向に貫通しガスが流通する細長いスリットの列を有し、隣接するスリット間はウェブと呼ばれる。煉瓦のウェブの部分が蓄熱媒体となり、スリットを流通するガスとの間で熱交換が行われる。ウェブの幅を狭くし、多数のスリットを配列することにより、スリットを流通するガスが接触する伝熱面積を大きくし、スリット中の流体とウェブとの間の熱伝達を良好にすることができる。

蓄熱室には、多数の段数で蓄熱煉瓦が積み上げられて蓄熱煉瓦積み構造を形成している。蓄熱室の周囲の仕切り壁と蓄熱煉瓦積みとの間にはわずかな隙間のみを有する。高温の燃焼排ガスは蓄熱室の上部から蓄熱室に供給され、蓄熱煉瓦のスリットを通過して冷却され、蓄熱室の下部から抜ける。逆に低温の燃料ガスや燃焼用空気は蓄熱室の下部から蓄熱室に供給され、蓄熱煉瓦のスリットを通過して加熱され、蓄熱室の上部から抜ける。

スリットを有する蓄熱煉瓦としては、特許文献１、２に記載のものが知られている。１つの蓄熱煉瓦に、多数のスリットが列をなし、特許文献１では２群のスリット列、特許文献２では３群のスリット列が配置されている。

蓄熱煉瓦を上下に積み上げたとき、上段のスリット下端が下段のスリット上段と接する形状であると、煉瓦積みがわずかでもずれると上下のスリットが連続せず、ガスの流通が妨げられることとなる。そこで、蓄熱煉瓦の上下いずれかの端部において、スリットの端部と煉瓦の端部の間に段差を形成し、煉瓦を積み上げたときにこの段差部分が空間を形成するようにしている。空間が存在するため、この空間によって隣接するスリット同士が連通するとともに、たとえ上下のスリットの位置にずれが生じたとしても、ガスの流通が妨げられることがない。以下、この空間を「連通空間」と呼ぶ。特許文献１、２に記載のものはいずれも、煉瓦の下端側に連通空間を有している。

室炉式コークス炉に用いられる耐火物としては、高温領域で機械的強度が大きく、かつ高温領域で体積変化が少なく、熱伝導性が比較的良好であるとともに、材料が安価で大量に入手できる等の理由から、その多くが珪石煉瓦で構築されている。蓄熱室の仕切り壁についても、同様に珪石煉瓦が用いられている。一方、蓄熱室の蓄熱煉瓦については、高温と低温の間で温度の急変を繰り返すため、温度の急変に対する耐久性がある粘土煉瓦が使用されている。

特開２０１４−１３６７６０号公報 特開平７−１７２９４０号公報

蓄熱室の耐火煉瓦構造物のうち、仕切り壁の下端付近において、長期間のコークス炉稼働を経て仕切り壁煉瓦に熱的スポーリングに起因する損傷が発生するようになる。この損傷を放置すると、炉体強度が低下していき、炉の操業に支障を来すようになる。コークス炉はいったん操業を開始すると、途中で炉を休止しての炉体補修を行うことは非常に困難となる。従って、仕切り壁煉瓦への損傷発生を抑止することが重要である。

本発明は、コークス炉蓄熱室の仕切り壁煉瓦に損傷を発生させることのない、コークス炉蓄熱室の蓄熱煉瓦積み構造及びその煉瓦積み構造に用いる蓄熱煉瓦を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）コークス炉蓄熱室の蓄熱煉瓦積み構造に蓄熱煉瓦Ａと蓄熱煉瓦Ｂを用い、
蓄熱煉瓦Ａと蓄熱煉瓦Ｂの共通構造として、煉瓦の上下方向に貫通しガスが流通するスリットの列を有し、煉瓦の上下方向一方の端部にはスリット同士が連通する連通空間を有し、当該連通空間を有する側を連通側と称し、
蓄熱煉瓦Ａは、４つの側面のうち対向する２面については連通側の煉瓦端部まで達する壁を有し、残りの２面については連通空間が当該面外方に開放されており、
蓄熱煉瓦Ｂは、４つの側面のうち少なくとも３面については連通側の煉瓦端部まで達する壁を有し、
蓄熱煉瓦積み構造において、少なくとも最下段の２段の少なくとも蓄熱室コーナーに配する蓄熱煉瓦については蓄熱煉瓦Ｂを用いることを特徴とするコークス炉蓄熱室の蓄熱煉瓦積み構造。
（２）蓄熱室の仕切り壁と蓄熱煉瓦積みとの間の空間において、少なくとも最下段の１段については当該空間に砂を充填することを特徴とする上記（１）に記載のコークス炉蓄熱室の蓄熱煉瓦積み構造。

本発明は、コークス炉蓄熱室の蓄熱煉瓦積み構造において、蓄熱煉瓦の上下方向一方の端部にはスリット同士が連通する連通空間を有し、少なくとも最下段の２段の蓄熱煉瓦については、蓄熱室仕切り壁に面する側の側面において連通空間が外方に開放されていない煉瓦を用いることにより、熱せられた仕切り壁の珪石煉瓦に低温のガスが接触することがなくなり、コークス炉蓄熱室の仕切り壁煉瓦に発生する損傷を防止することができる。

本発明の蓄熱煉瓦積み構造を示す図であり、図２のＡ−Ａ矢視側面部分断面図である。 本発明の蓄熱煉瓦積み構造を示す図であり、図１−１の右下部分を拡大した側面部分断面図である。 本発明の蓄熱煉瓦積み構造を示す図であり、図１−１のＢ−Ｂ矢視平面部分断面図である。 本発明の蓄熱煉瓦Ｂを示す図であり、（ａ）はＡ−Ａ矢視平面断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ矢視断面図である。 本発明の蓄熱煉瓦Ａを示す図であり、（ａ）はＡ−Ａ矢視平面断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ矢視断面図である。 本発明の蓄熱煉瓦Ｂを示す図であり、（ａ）はＡ−Ａ矢視平面断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ矢視断面図である。 本発明の蓄熱煉瓦積み構造を示す側面部分断面図である。 従来の蓄熱煉瓦積み構造を示す側面部分断面図である。

図１〜７に基づいて、本発明の蓄熱煉瓦積み構造及び蓄熱煉瓦２について説明する。

コークス炉の蓄熱室１には、図１、７に示すように、多数の段数で蓄熱煉瓦２が積み上げられて蓄熱煉瓦積み構造を形成している。蓄熱室１の周囲の仕切り壁２０と蓄熱煉瓦積みとの間にはわずかな隙間のみを有する。高温の燃焼排ガスは蓄熱室１の上部から蓄熱室１に供給され、蓄熱煉瓦２のスリット３を通過するときに低温のウェブ４と熱交換してガスが冷却され、蓄熱室１の下部から抜ける。逆に低温の燃料ガスや燃焼用空気は蓄熱室１の下部から蓄熱室１に供給され、蓄熱煉瓦２のスリット３を通過するときに高温のウェブ４と熱交換してガスが加熱され、蓄熱室１の上部から抜ける。図１、６、７では、蓄熱室１下部から上部へ流れるガス流１７を図示している。

図４に示すように、蓄熱煉瓦２の上下一方の端部において、スリット３の端部と煉瓦２の端部の間に段差を形成し、煉瓦を積み上げたときにこの段差部分が空間（連通空間５）を形成している。蓄熱煉瓦２の上下方向で、連通空間５を有する側を「連通側１１」と名付ける。通常は下端側が連通側１１になっている。また、蓄熱煉瓦２の４つの側面のうち対向する２面（以下「閉鎖面１２」という。）については連通側１１の煉瓦端部１６まで達する壁６を有し、残りの２面（以下「開放面１３」という。）については連通空間５が当該面外方に開放されている（開放部７）。このような従来から用いられている蓄熱煉瓦を、ここでは「蓄熱煉瓦Ａ２ａ」と称する。蓄熱煉瓦Ａ２ａを上下方向に積み上げたとき、４つの側面のうちの閉鎖面１２については連通空間５と蓄熱煉瓦外方との間は閉鎖されて閉鎖部８を形成し、開放面１３については連通空間５と蓄熱煉瓦外方との間が開放部７で開かれてガスが流通可能となる。

蓄熱煉瓦２の開放面１３側の側面については、上端から下端まで連続する凹部を形成する。側面凹部１４と呼ぶ。蓄熱煉瓦２を水平方向に並べたとき、図２に示すように、隣接する蓄熱煉瓦２の開放面１３側との間で、両者の側面凹部１４によってガス流路（「側面流路１５」と呼ぶ。）が形成される。また、蓄熱煉瓦積み構造と仕切り壁２０との間のわずかな隙間もガス流路（「壁間流路９」と呼ぶ。）となる。

従来の蓄熱煉瓦積み構造においては、図７に示すように、最下段から最上段までのすべてについて、上記蓄熱煉瓦Ａ２ａを用いて構築する。蓄熱室１に低温の燃料ガスあるいは燃焼用空気を通過させるサイクルにおいては、蓄熱室１の下端側から低温のガスが流入し、最下段の蓄熱煉瓦Ａ２ａから順次上方に向かって、各蓄熱煉瓦Ａ２ａのスリット３を経由してガスが上昇する。それと同時に、上下方向に接触する蓄熱煉瓦Ａ２ａの接触面に形成された連通空間５は開放面１３において側方に開かれているので、側面凹部１４が形成されている側の開放面１３については、連通空間５から側面流路１５へと流れるガス流が形成され、仕切り壁２０に面している側の開放面１３については、連通空間５から壁間流路９へと流れるガス流１７が形成されることとなる。

蓄熱室１に高温の燃焼排ガスが流れるサイクルにおいては、蓄熱室１内の蓄熱煉瓦２も仕切り壁表面も高温に熱せられている。そのサイクルから、低温の燃料ガスあるいは燃焼用空気が流れるサイクルに切り替わった直後、蓄熱室１の下端付近においては、低温のガスが蓄熱室下部から供給され、各蓄熱煉瓦２の連通空間５からスリット３にガスが流れると同時に、蓄熱煉瓦２の開放面１３において連通空間５から壁間流路９へと低温のガスが供給されることとなる。その結果、高温に熱せられていた仕切り壁２０の煉瓦は、低温のガスに接して急速に冷却される。仕切り壁煉瓦は珪石煉瓦で構成されており、珪石煉瓦は常温から６００℃までの熱膨張率が非常に大きいので、低温のガスによる急速冷却で熱的スポーリングを起こし、損傷に至る。長期間のコークス炉稼働を経て仕切り壁煉瓦に熱的スポーリングに起因する損傷が発生していたのは、このようなメカニズムによることが明らかになった。

蓄熱室下端から蓄熱室内に供給される低温のガスは、蓄熱煉瓦２を通過するに従って温度が上昇する。従って、蓄熱煉瓦積み構造の最下部とその付近を除いて、ガスの温度が上昇している部分については、連通空間５から壁間流路９にガスが流れても仕切り壁煉瓦に損傷を与えることはない。

そして、蓄熱煉瓦積み構造の蓄熱煉瓦最下段から少なくとも２段において、少なくとも蓄熱煉瓦２の連通空間５から壁間流路９に向かう開放部を遮断することにより、仕切り壁煉瓦の損傷を防止できることが明らかとなった。

そこで本発明においては、蓄熱室の蓄熱煉瓦積み構造において、従来から用いられている上記蓄熱煉瓦Ａ２ａとともに、少なくとも最下段から２段については、図３、図５に示すような蓄熱煉瓦Ｂ２ｂを用いることとした。図６に示すように、最下段から３段について蓄熱煉瓦Ｂ２ｂを用いるとより好ましい。

蓄熱煉瓦Ｂ２ｂは、煉瓦の上下方向に貫通しガスが流通するスリット３の列を有し、煉瓦の上下方向一方の端部にはスリット同士が連通する連通空間５を有する点では蓄熱煉瓦Ａ２ａと共通である。そして、４つの側面のうち少なくとも３面については連通側１１の煉瓦端部１６まで達する壁６を有しており、その点で蓄熱煉瓦Ａ２ａと相違する（図５参照）。４つの側面すべてについて連通側１１の煉瓦端部１６まで達する壁６を有していると好ましい（図３参照）。連通側１１の煉瓦端部１６まで達する壁６を有する側面は、上下に蓄熱煉瓦を積み重ねたとき、連通空間５と煉瓦外部との間が閉鎖されて閉鎖部８を形成し、閉鎖面１２となる（図１−２参照）。

蓄熱煉瓦積み構造において、閉鎖面１２が３面で残り１面が開放面１３である蓄熱煉瓦Ｂ２ｂ（図５）を水平方向に敷き並べるに際しては、開放面１３の側を隣接する蓄熱煉瓦Ｂ２ｂと接する側に配置する。これにより、蓄熱煉瓦Ｂ２ｂが仕切り壁２０と接する側は閉鎖面１２となるので、当該蓄熱煉瓦Ｂ２ｂから壁間流路９へのガス流れを防止することができる。閉鎖面１２が４面で開放面を有しない蓄熱煉瓦Ｂ２ｂ（図３）においては、どのように配置しても、当該蓄熱煉瓦Ｂ２ｂから壁間流路９へのガス流れを防止することができる。

図２に示すように、水平面で３×２の合計６個の蓄熱煉瓦２が配置される蓄熱煉瓦積み構造においては、蓄熱室１の蓄熱室コーナー２１に接しない蓄熱煉瓦２が存在する。このような配置においては、少なくとも最下段の２段の少なくとも蓄熱室コーナー２１に配する蓄熱煉瓦２については蓄熱煉瓦Ｂ２ｂを用いることが必要である。蓄熱室コーナー２１以外の部分に配する蓄熱煉瓦２については、開放面１３を２面有する蓄熱煉瓦Ａ２ａであっても、壁間流路９と連通空間５との間を閉鎖することが可能であるので、蓄熱煉瓦Ａ２ａを用いてもかまわない。

図１−１、図１−２は、４つの側面がすべて閉鎖面１２である蓄熱煉瓦Ｂ２ｂ（図３）を、最下段から３段について配置し、４段目より上側については蓄熱煉瓦Ａ２ａ（図４）を用いた例である。蓄熱煉瓦２の連通空間５から壁間流路９へガスが流れるのは、下から４段目より上の蓄熱煉瓦Ａ２ａである。下方から流入した低温のガスは、最下段から３段の高温に熱せられた蓄熱煉瓦Ｂ２ｂを通過する間に温度が上昇し、４段目より上の蓄熱煉瓦Ａ２ａの連通空間５から開放部７を通じて壁間流路９にガスが流れ出ても、仕切り壁２０の珪石煉瓦に熱的スポーリングを与えることはない。

本発明の蓄熱煉瓦積み構造において、最下段から２段あるいは３段について蓄熱煉瓦Ｂ２ｂを用い、それよりも上の段については蓄熱煉瓦Ａ２ａを用いると好ましい。蓄熱煉瓦Ａ２ａは、４つの側面のうち対向する２面については連通側１１の煉瓦端部１６まで達する壁６を有し、残りの２面については連通空間５が当該面外方に開放されている。そのため、仕切り壁２０と蓄熱煉瓦２の間の壁間流路９にも連通空間５から開放部７を通じてガスが供給され、水平方向に蓄熱煉瓦Ａ２ａ同士が接触している部分の側面流路１５にも連通空間５から開放部７を通じてガスが供給され、壁間流路９や側面流路１５に面する蓄熱煉瓦Ａ２ａの面もガスと煉瓦の間の伝熱面として機能するので、伝熱面積を増大することができ、熱交換効率を上げることができる。

本発明で好ましくは、図１−１、図１−２、図２に示すように、蓄熱室１の仕切り壁２０と蓄熱煉瓦積みとの間の空間（壁間流路９）において、少なくとも最下段の１段については当該空間（壁間流路９）に砂１０を充填する。上記のように、蓄熱煉瓦Ｂ２ｂを積み重ねることにより、連通空間５と壁間流路９との間は閉鎖されるが、上下の蓄熱煉瓦間の積み重ね部に若干の隙間が生じ、この隙間を通してガスが流れることがある。本発明では、壁間流路９に砂１０を充填することにより、連通空間５から壁間流路９へのガス流れをより確実に抑止することが可能となる。充填する砂１０としては、珪砂あるいは焼き砂を好ましく用いることができる。

蓄熱煉瓦Ｂ２ｂの連通空間５が煉瓦の下端に配置されている場合であって、蓄熱煉瓦Ｂ２ｂを最下段から２段に用いている場合には、上記のように最下段の１段について壁間流路９に砂１０を充填する。このとき、最下段とその上の段との接合面についても充填した砂で隠れるようにすると好ましい。これにより、最下段から２段分の蓄熱煉瓦Ｂ２ｂについて、連通空間５から壁間流路９へのガス流れの抑止を確実にすることができる。２段目と３段目の接合面まで含めて砂を充填すると、３段目は蓄熱煉瓦Ａ２ａであって壁間流路９との境界側面は開放面１３となっていることから、充填した砂１０が連通空間５内に入り込み、その下の蓄熱煉瓦のスリット３を通じてガス流路に入り込むことになるので好ましくない。

前述のように、本発明で好ましくは最下段から３段について蓄熱煉瓦Ｂ２ｂを用いる。このとき、通常のように蓄熱煉瓦Ｂ２ｂの連通空間５が煉瓦の下端に配置されている場合については、最下段の２段について壁間流路９に砂１０を充填するとより好ましい。図１−１、図１−２に示すように、下から２段目とその上の段との接合面についても充填した砂で隠れるようにすると好ましい。

蓄熱煉瓦２と仕切り壁２０との間の間隔は、蓄熱煉瓦２の構造上、煉瓦の熱膨張を吸収するため、必要となる。この間隔は５ｍｍ〜１０ｍｍが最適である。隙間が多すぎると、蓄熱室１の容積に占める蓄熱煉瓦２の容積が低下するため、蓄熱容量の低下と伝熱面積の低下が生じるので好ましくない。一方、隙間が少なすぎると、煉瓦の熱膨張が妨げられることがあり、また蓄熱煉瓦２を築造する上での障害となり得るので好ましくない。

本発明のコークス炉蓄熱室の蓄熱煉瓦（上記蓄熱煉瓦Ｂ２ｂ）は、煉瓦の上下方向に貫通しガスが流通するスリット３の列を有し、煉瓦の上下方向一方の端部にはスリット同士が連通する連通空間５を有し、４つの側面のうち少なくとも３面については連通側１１の煉瓦端部１６まで達する壁６を有する。蓄熱煉瓦積み構造において、当該本発明の蓄熱煉瓦（上記蓄熱煉瓦Ｂ２ｂ）を、少なくとも最下段の２段の少なくとも蓄熱室コーナーに配する蓄熱煉瓦として用いることにより、熱せられた仕切り壁２０の珪石煉瓦に低温のガスが接触することがなくなり、コークス炉蓄熱室の仕切り壁煉瓦に発生する損傷を防止することができる。

室炉式のコークス炉の蓄熱室１に本発明を適用した。蓄熱室１には、図２に示すように、水平方向に２×３の蓄熱煉瓦２を配置し、上下方向に１７段に積み上げた蓄熱煉瓦積み構造としている。蓄熱室１の仕切り壁２０には珪石煉瓦が用いられている。

従来例においては、図７に示すように、使用するすべての蓄熱煉瓦を蓄熱煉瓦Ａ（図４）とした。２５年のコークス炉操業を経てコークス炉を解体したところ、珪石煉瓦よりなる仕切壁２０の下部１、２段は煉瓦の表面がうろこ状に剥離していたし、煉瓦に亀裂が見られ、強度もほとんどない状態であった。

そこで本発明例として、図１、図２に示すように、蓄熱煉瓦積み構造のうち、最下段から３段については、側面の４面がすべて閉鎖面１２である蓄熱煉瓦Ｂ２ｂ（図３）を適用し、下から４段より上方についてはすべて蓄熱煉瓦Ａ（図４）を用いることとした。また、仕切り壁２０と蓄熱煉瓦積みとの間の壁間流路９において、最下段から２段について壁間流路９に砂１０を充填した。２段目と３段目の継ぎ目部までが砂１０で覆われるようにした。３年のコークス炉操業を経てコークス炉を解体したところ、珪石煉瓦よりなる仕切壁２０の下部１、２段は煉瓦の損傷が全く無く、とても健全であった。

１ 蓄熱室
２ 蓄熱煉瓦
２ａ 蓄熱煉瓦Ａ
２ｂ 蓄熱煉瓦Ｂ
３ スリット
４ ウェブ
５ 連通空間
６ 壁
７ 開放部
８ 閉鎖部
９ 壁間流路
１０ 砂
１１ 連通側
１２ 閉鎖面
１３ 開放面
１４ 側面凹部
１５ 側面流路
１６ 煉瓦端部
１７ ガス流
２０ 仕切り壁
２１ 蓄熱室コーナー

Claims (2)

1. コークス炉蓄熱室の蓄熱煉瓦積み構造に蓄熱煉瓦Ａと蓄熱煉瓦Ｂを用い、
   蓄熱煉瓦Ａと蓄熱煉瓦Ｂの共通構造として、煉瓦の上下方向に貫通しガスが流通するスリットの列を有し、煉瓦の上下方向一方の端部にはスリット同士が連通する連通空間を有し、当該連通空間を有する側を連通側と称し、
   蓄熱煉瓦Ａは、４つの側面のうち対向する２面については連通側の煉瓦端部まで達する壁を有し、残りの２面については連通空間が当該面外方に開放されており、
   蓄熱煉瓦Ｂは、４つの側面のうち少なくとも３面については連通側の煉瓦端部まで達する壁を有し、
   蓄熱煉瓦積み構造において、少なくとも最下段の２段の少なくとも蓄熱室コーナーに配する蓄熱煉瓦については蓄熱煉瓦Ｂを用いることを特徴とするコークス炉蓄熱室の蓄熱煉瓦積み構造。
2. 蓄熱室の仕切り壁と蓄熱煉瓦積みとの間の空間において、少なくとも最下段の１段については当該空間に砂を充填することを特徴とする請求項１に記載のコークス炉蓄熱室の蓄熱煉瓦積み構造。

Images