JP6828617B2 - 安水の水面高さ測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、コークス炉から発生するコークス炉ガスを冷却する安水の水面高さ測定方法に関する。

コークス炉に装入した石炭を乾留する際に発生するコークス炉ガス（ＣＯＧ）には、石炭に付着していた水分やタール等が混入している。そのため、コークス炉ガスを冷却する安水（アンモニア水）には、タール等の成分が不可避的に含まれている。

コークス炉で発生したコークス炉ガスは、一般に、密閉された配管（コークス炉ガスの漏洩防止を施した配管）等の流路を介して安水と共に搬送される。前記流路内では、比重差によって上部にコークス炉ガスが、下部にタール等を含む安水が偏在している。
コークス炉ガスは、分岐流路において安水から分離され、コークス炉ガス精製設備へ送給される。一方、タール等を含む安水は、前記流路の下流に配置されているタールデカンタにおいて、比重差によって安水層とタール等を含むタール層に分離される。タール層から高い濃度で採取されたタールはタール精製設備に送給され、安水層から採取された安水はコークス炉ガスを冷却するため循環再利用される。

安水からタール等を分離するタールデカンタは比重差を利用しているため、タールデカンタ内の安水層やタール層の位置を把握することが重要となる。位置の把握が不正確であると、安水にタールが混入することにより、コークス炉ガスを冷却する際に使用するノズルや途中の管路が閉塞する原因となったり、タール精製設備における精製負荷が増加したりする場合がある。このため、安水の水面高さ位置や、安水層とタール層あるいは安水／タールエマルジョン層の界面高さ位置を検知することが極めて重要となる。

例えば特許文献１には、適切な比重としたフロート（浮き）をタールデカンタ内のタール層と安水／タールエマルジョン層の界面付近に位置させ、フロートの上下動を測定することにより界面高さ位置を検知する界面計において、フロートの周囲を適切な隔壁で覆うことにより、タールデカンタ内の流動の影響を排除する発明が開示されている。
また、特許文献２には、安水層と安水／タールエマルジョン層の界面レベルを検出する界面センサーを安水中に浸漬させて設置し、且つ界面センサーの検出面に安水を噴出するスプレーノズルを設ける発明が開示されている。

実開平３−１０４８２２号公報 特開平８−２８３７４１号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術では、タールによってフロートが隔壁に固着し、タール層と安水／タールエマルジョン層の界面高さ位置の測定が不正確となる場合がある。安水の水面高さの測定に用いる場合も、安水の水面付近に存在するスカムによって、同様な固着が発生して測定が不正確となる場合がある。さらに、タール層と安水／タールエマルジョン層の界面高さ位置の測定では、安水の供給量やコークス炉からタールデカンタに至るまでの流路に存在する安水の量が急激に変化すると、界面高さ位置が変動して安定せず測定が困難となる場合がある。

また、特許文献２記載の技術は、特許文献１記載の技術に比べて測定精度が安定する傾向はあるものの、安水や安水／タールエマルジョン層に存在するタール等の影響を受けたノイズや汚れが界面センサーに生じ、界面高さ位置の測定が不正確となる場合がある。また、安水の水面高さの測定に用いる場合、安水を用いて界面センサーの検出面を洗浄しても安水に含まれるスカムの付着が避けられず、測定が不正確となる場合がある。さらに、タール層と安水／タールエマルジョン層の界面高さ位置の測定では、安水の供給量やコークス炉からタールデカンタに至るまでの流路に存在する安水の量が急激に変化すると、特許文献１記載の技術と同様、界面高さ位置が変動して安定せず測定が困難となる場合がある。

特許文献１及び２記載の技術は、安水に含まれるタール等の影響によって界面高さ位置の測定精度が低く、安水の供給量等が急激に変動する場合（安水の水面高さが大きく変動する場合）には界面高さ位置の測定が困難となる。

界面高さ位置は、安水の水面高さやタールデカンタから排出される安水量、タールの採取量等から推定することができる。そこで、本発明では、タールが存在する環境下において安水の水面高さを精度良く測定する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、コークス炉から発生するコークス炉ガスを冷却する安水の水面高さを測定する方法であって、
流速が０．１ｍ／秒以上である前記安水にパイプを浸漬して該パイプに流速０．５ｍ／秒以上の測定用ガスを吹き込み、前記測定用ガスの吹込み圧力を測定すると共に、
前記安水の水面を覆うガス雰囲気を遮蔽する遮蔽壁に開口部を設けて該開口部に付着物遮断部材を配置し、前記ガス雰囲気の静圧を前記開口部を介して測定し、
前記測定用ガスの吹込み圧力と前記ガス雰囲気の静圧との差圧を求め、前記差圧より前記安水の水面高さを決定することを特徴としている。

本発明では、安水に浸漬したパイプに吹き込む測定用ガスの吹込み圧力と安水の水面を覆うガス雰囲気の静圧との差圧から安水の水面高さを決定する。パイプ先端の高さ方向位置は既知なので、パイプ先端の安水への浸漬深さが判明すれば、安水の水面高さを決定することができる。

その際、安水に含まれるタール等がパイプの開口部周辺に付着すると、測定用ガスを安水へ放出させる際の圧損原因となり、測定用ガスの吹込み圧力を高く誤検知する要因となる。そのため、パイプの浸漬位置における安水の流速は０．１ｍ／秒以上として、パイプ開口部へのタール等の付着を防止する。また、パイプ内に安水が多量に浸入するのを防止するため、流速０．５ｍ／秒以上の測定用ガスをパイプ内に吹き込む。
安水の流速と測定用ガス吹込み速度が上記条件を満たせば、誤検知の原因となるパイプ開口部周辺へのタール等の付着は見られなくなる。

さらに、本発明では、ガス雰囲気の静圧測定において、タール等を含む安水の飛散水滴による測定誤差が生じないようにするため、遮蔽壁に設けた開口部に付着物遮断部材を配置している。

本発明に係る安水の水面高さ測定方法では、安水に浸漬したパイプに吹き込む測定用ガスの吹込み圧力と安水の水面を覆うガス雰囲気の静圧との差圧から安水の水面高さを決定する。その際、ガス雰囲気を遮蔽する遮蔽壁に開口部を設けて該開口部に付着物遮断部材を配置し、該開口部を介してガス雰囲気の静圧測定を行うので、タールが存在する環境下においても安水の水面高さを精度良く測定することができる。
またこれに伴い、タール発生量、安水流入量を考慮することにより、安水層とタール層あるいは安水／タールエマルジョン層の界面高さ位置を高い精度で推定することが可能となる。

加えて、コークス炉ガス及び安水を搬送するコークス炉ガス回収配管内で本発明を適用することにより、コークス炉ガスの回収状況の確認や安水の供給量制御に利用することができる。その結果、コークス製造に係る操業状況を幅広く確認及び制御することが可能となる。

コークス炉ガスを冷却する安水の処理フロー図である。 本発明の第１の実施の形態に係る安水の水面高さ測定方法を説明するための模式図である。 （Ａ）は付着物遮断部材の第１変形例、（Ｂ）は付着物遮断部材の第２変形例を示した模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る安水の水面高さ測定方法を説明するための模式図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

図１は、コークス炉１０から発生するコークス炉ガスを冷却する安水の処理フローを示したものである。
コークス炉１０に装入した石炭を乾留する際に発生するコークス炉ガスは、コークス炉１０上部に設置された上昇管１１のベンド部１２において散布される安水により冷却、洗浄された後、ドライメン１３からコークス炉ガス回収配管１４を介して搬送され、コークス炉ガス回収配管１４の水平部の途中に設けられた分岐配管１５からコークス炉ガス精製設備（図示省略）へ送給される。一方、コークス炉ガスを冷却、洗浄した安水は、コークス炉ガス回収配管１４の下流に設けられた鉛直配管（安水供給管）を介してタールデカンタ１６内に流入する。

タールデカンタ１６内に流入した、タール等を含む安水は、タールデカンタ１６内で静置することにより固形分が沈降し、安水からなる安水層１８（「安水１８」ともいう。）と、タール等からなるタール層２０（「タール２０」ともいう。）に分離する。安水１８は、タールデカンタ１６から戻り配管１７を介して上昇管１１のベンド部１２へ送給され、コークス炉ガスの冷却、洗浄に再利用される。一方、タール層２０から高い濃度で採取されたタールはタール精製設備（図示省略）に送給される。

［第１の実施の形態に係る安水の水面高さ測定方法］
第１の実施の形態では、タールデカンタ１６内における安水１８の水面高さを測定する方法について説明する（図２参照）。
タールデカンタ１６では、底部にタール２０、上部に安水１８が溜まるが、安水１８は再循環され、タール２０は精製設備へ送られるため、安水１８及びタール２０はタールデカンタ１６内で低速で移動している。安水面より上部は密閉空間（コークス炉ガスを含むガスの漏洩防止を施した空間）とされ、ガス流が生じるガス雰囲気２１とされている。

本実施の形態では、安水供給管の出口近傍において、タールデカンタ１６の天井部を構成する遮蔽壁２３を貫通するパイプ２２を安水層１８に浸漬する。パイプ２２は、先端が確実に安水１８に浸漬する長さとし、浸漬深さが十分に検出できる深さに配置する。
パイプ２２の後部（上部）には、測定用ガスを吹き込むためのガス配管２２ａが接続されており、流速０．５ｍ／秒以上の測定用ガスがパイプ２２に吹き込まれる。
また、遮蔽壁２３に開口部２５を形成し、円筒状の付着物遮断部材２７を開口部２５からガス雰囲気２１中に挿入する。

パイプ２２及び付着物遮断部材２７の各後端部（上端部）は圧力導管３１を介して差圧計３０に接続され、測定用ガスの吹込み圧力とガス雰囲気２１の静圧との差圧を求めることができる。差圧計３０で求めた差圧からパイプ２２先端の安水１８への浸漬深さがわかる。パイプ２２先端の高さ方向位置は既知なので、パイプ２２先端の安水１８への浸漬深さが判明すれば、安水１８の水面高さを決定することができる。

測定用ガスの吹込み圧力やガス雰囲気２１の静圧の測定は常法で良く、液柱式やダイアフラム式（半導体歪ゲージや静電容量式）などが利用できる。本実施の形態では、液柱式やダイアフラム式（半導体歪ゲージや静電容量式）の差圧計３０を用いて、測定用ガスの吹込み圧力とガス雰囲気２１の静圧との差圧を求めている。

安水１９に含まれるタール等がパイプ２２の開口部周辺に付着しないようにするため、パイプ２２の浸漬位置における安水１８の流速は０．１ｍ／秒以上とする。
安水１８の流速が０．１ｍ／秒以上である箇所は、タールデカンタ１６内における安水供給箇所近傍（例えば、安水供給管の出口を中心とする半径５０ｃｍ以内の領域）や、コークス炉ガス回収配管１４の内部などである。タールデカンタ１６内において安水供給箇所から離れた箇所では、比重差によって安水１８とタール２０を分離させるため液流速が０．０１ｍ／秒程度となっており、パイプ２２の開口部周辺へのタール等付着抑制効果が小さくなる。

安水１８の流速を求める方法としては、タールデカンタ１６の安水供給箇所近傍であれば、供給液が液供給点から同心円状に広がると仮定して液流速を計算する方法、コークス炉ガス回収配管１４の内部であれば、安水供給量を、液面レベルを考慮した配管内径断面積で除す方法などがある。
測定原理上、安水流速の上限値に特に制約を設ける必要はない。しかし、タールデカンタ１６やコークス炉ガス回収配管１４における流速の最大値は、供給量や管径にもよるが、１．０ｍ／秒程度と見られる。

パイプ２２内に安水１８が多量に浸入することを防ぐため、パイプ２２内には０．５ｍ／秒以上の測定用ガスを吹込み安水１８へ放出させる必要がある。
測定用ガスには、窒素、アルゴン、空気、酸素、水素などを使用することができ、特に限定するものではない。しかし、ガス雰囲気２１にコークス炉ガスが含まれる場合があるため、コークス炉ガスに引火しないように酸素や空気以外が好適である。
なお、測定用ガスの流速は、測定用ガス供給量（Ｎｍ^３／秒）を、パイプ２２内径より算出した断面積（ｍ^２）で除すことにより算出してもよい。
パイプ２２の内径は特に限定されないが、ＪＩＳ Ｇ３４５２に規定されている配管用炭素鋼鋼管（ＳＧＰ）の内径６．５ｍｍ〜５２．９ｍｍでは測定可能であった。

前述したように、ガス雰囲気２１にはコークス炉ガスが含まれている場合がある。そのため、大気に対してガス雰囲気２１を負圧に設定する場合が多い。ガス雰囲気２１が負圧の場合、測定用ガスの吹込み圧力のみで、パイプ２２先端の安水１８への浸漬深さを求めて安水１８の水面高さを決定すると、誤差が生じる。そのため、ガス雰囲気２１の負圧を測定して、測定用ガスの吹込み圧力から求められるパイプ２２先端の安水１８への浸漬深さを補正する必要がある。

その際、タール等を含む安水１９の飛散水滴によりガス雰囲気２１の負圧測定に誤差が生じ得ることに鑑み、本実施の形態では、ガス雰囲気２１を遮蔽する遮蔽壁２３に開口部２５を設けて開口部２５に付着物遮断部材２７を配置し、開口部２５を介してガス雰囲気２１の静圧測定を行う。円筒状の付着物遮断部材２７を使用して開口部２５から離れた位置（付着物遮断部材２７の上端部）でガス雰囲気２１の静圧を測定するので、付着物遮断部材２７の先端部にタール等が付着しても、静圧測定誤差にはなり得ず、測定精度を維持することができる。
なお、開口部２５から安水１８に向けてガスを通気し、通気するガス圧力でガス雰囲気２１の圧力を測定した場合、開口部２５近傍にタール等が付着すると圧損が生じるため、ガス雰囲気２１の圧力を不当に高く測定することとなる。

図３に付着物遮断部材２７の変形例を示す。
図３（Ａ）では、円筒状の付着物遮断部材２８を開口部２５からガス雰囲気２１中に挿入せず、付着物遮断部材２８の先端を開口部２５に固定する方式としている。
図３（Ｂ）では、開口部２５の前方に板状の付着物遮断部材２９を配置して、開口部２５内に付着物が侵入しないようにしている。

［第２の実施の形態に係る安水の水面高さ測定方法］
第２の実施の形態では、コークス炉ガス回収配管１４内における安水１９の水面高さを測定する方法について説明する（図４参照）。
コークス炉ガス回収配管１４内の下部にはタール、スラッジが混入した安水１９が流れ、コークス炉ガス回収配管１４内の上部にはコークス炉ガスが流れている。

本実施の形態では、コークス炉ガス回収配管１４の天井部を構成する遮蔽壁２４を貫通するパイプ２２を、０．１ｍ／秒以上の速度でコークス炉ガス回収配管１４内の下部を流れる安水１９に浸漬する。パイプ２２は、先端が確実に安水１９に浸漬する長さとし、浸漬深さが十分に検出できる深さに配置する。
第１の実施の形態と同様、パイプ２２の後部（上部）には、測定用ガスを吹き込むためのガス配管２２ａが接続されており、流速０．５ｍ／秒以上の測定用ガスがパイプ２２に吹き込まれる。
また、遮蔽壁２４に開口部２６を形成し、コークス炉ガス回収配管１４内の上部を満たすガス雰囲気２１中に円筒状の付着物遮断部材２７を挿入する。

第１の実施の形態と同様、パイプ２２及び付着物遮断部材２７の各後端部（上端部）は圧力導管３１を介して差圧計３０に接続され、測定用ガスの吹込み圧力とガス雰囲気２１の静圧との差圧を求めることができ、差圧計３０で求めた差圧からパイプ２２先端の安水１９への浸漬深さがわかる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更や上記実施の形態の組み合わせを施してもよい。

本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
コークス炉ガス回収配管の水平部及びタールデカンタに、内径９．２ｍｍのパイプを天井部より挿入し、安水に浸漬させた。その際、パイプ先端が天井部から１０００ｍｍの位置となるよう調整した。なお、コークス炉ガス回収配管の内径は１３００ｍｍ、タールデカンタの底面から天井部までの高さは４０００ｍｍである。
また、安水の水面を覆うガス雰囲気の静圧測定に使用する円筒状の付着物遮断部材を、安水に浸漬したパイプの近傍に配置した。
そして、安水に浸漬したパイプと付着物遮断部材の各上端部を圧力導管を介して半導体歪ゲージの付いたダイヤフラム式差圧計に接続した。

安水に浸漬したパイプに測定用ガス配管を繋いで窒素ガスを２．０Ｌ／分（パイプ内流速０．５ｍ/秒）の量供給したところ、差圧計は２４０ｍｍ水柱の値を示した。これより、安水に浸漬したパイプ先端の安水内浸漬深さが２４０ｍｍであることが判明した。安水の水面高さは、パイプ先端が天井部から１０００ｍｍの位置にあることを考慮すると、天井部から７６０ｍｍ下方の位置となる。

なお、検出面が清浄な超音波距離計を用いて安水の水面高さを測定した場合も、安水の水面高さは天井部から７６０ｍｍ下方の位置であった。しかし、検出面にタール等の付着物が存在する場合に、超音波距離計を用いて安水の水面高さを測定すると５００ｍｍ程度となり、誤差が認められた。

本発明に係る安水の水面高さ測定方法を用いて、安水の水面高さの長期連続測定を実施し、安水の流速や窒素ガスの流速等の異なる条件下におけるタール等によるパイプの閉塞性について確認すると共に、安水水面高さの測定精度について評価した。その結果を表１に示す。

安水水面高さの測定精度の評価は、コークス炉ガス回収配管やタールデカンタの天井部より安水中に棒を差し込み、棒の濡れた位置から安水の水面高さを算出した値（人手による測定）を基準値とし、５．０％以下の誤差範囲内の測定結果が得られた場合を○判定、５．０％を超える誤差の場合を×判定とした。

［測定箇所：コークス炉ガス回収配管の水平部］
上記測定方法を用いて、安水の水面高さの長期連続測定（約３ヶ月）を実施した。その結果、窒素ガス流量を２．０Ｌ/分、窒素ガス流速を０．５ｍ/秒とした実施例１では、パイプの閉塞は見られず、測定精度も良好であった。一方、窒素ガス流量を０．８Ｌ/分、窒素ガス流速を０．２ｍ/秒とした比較例１では、タールによるパイプの一部閉塞（付着物が顕著）が生じ、測定精度も低かった。

［測定箇所：タールデカンタ］
上記測定方法を用いて、安水の水面高さの長期連続測定（約３ヶ月）を実施した。その結果、安水の流速が０．１ｍ/秒である安水供給管近傍にパイプを浸漬し、且つパイプ内の窒素ガス流速を０．５ｍ/秒とした実施例２では、パイプの閉塞は見られず、測定精度も良好であった。一方、安水供給管から離れ、安水の流速が０．０１ｍ/秒と遅い箇所にパイプを浸漬した比較例２では、パイプ内の窒素ガス流速を０．５ｍ/秒としても一部閉塞が生じ、測定精度も低かった。

１０：コークス炉、１１：上昇管、１２：ベンド部、１３：ドライメン、１４：コークス炉ガス回収配管、１５：分岐配管、１６：タールデカンタ、１７：戻り配管、１８：安水（層）、１９：安水、２０：タール（層）、２１：ガス雰囲気、２２： パイプ、２２ａ：ガス配管、２３、２４：遮蔽壁、２５、２６：開口部、２７、２８、２９：付着物遮断部材、３０：差圧計、３１：圧力導管

Claims (1)

1. コークス炉から発生するコークス炉ガスを冷却する安水の水面高さを測定する方法であって、
   流速が０．１ｍ／秒以上である前記安水にパイプを浸漬して該パイプに流速０．５ｍ／秒以上の測定用ガスを吹き込み、前記測定用ガスの吹込み圧力を測定すると共に、
   前記安水の水面を覆うガス雰囲気を遮蔽する遮蔽壁に開口部を設けて該開口部に付着物遮断部材を配置し、前記ガス雰囲気の静圧を前記開口部を介して測定し、
   前記測定用ガスの吹込み圧力と前記ガス雰囲気の静圧との差圧を求め、前記差圧より前記安水の水面高さを決定することを特徴とする安水の水面高さ測定方法。

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