JP7493131B1 - コークス炉炉団の寿命予測方法 - Google Patents

Abstract

コークス炉炉団の寿命を予測できるコークス炉炉団の寿命予測方法を提供する。コークス炉炉団の寿命を予測するコークス炉炉団の寿命予測方法であって、コークス炉炉団を構成する炭化室１４の炉壁形状を形状測定装置で測定することで、コークス炉の建設時の熱間寸法に基づいた初期位置よりも内側に張り出している張出部３４を特定し、張出部３４について、測定日時を変えて炉壁形状を複数回測定することで、時間と張出量との対応関係を示す回帰式を求め、回帰式によって算出される張出量が予め定められる閾値となる日時を算出することで炭化室１４の使用可能期間を予測し、予測された炭化室１４の使用可能期間に基づいてコークス炉炉団の寿命を予測する。

Description

本発明は、老朽化したコークス炉炉団の寿命予測方法に関する。

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、耐火物間の目地が広がるなどして、コークス炉の建設時には平坦であった炭化室の炉壁の一部が内側に張り出してくる場合がある。コークス炉の操業において、炭化室の炉壁の張出量が大きくなると、コークスが排出し難くなる押し詰まりが発生する。押し詰まりが発生すると、単位時間当たりのコークスの生産量が低下する。また、炉壁の一部の張出量が更に大きくなると、押出ラムのラムヘッドがその一部に接触してしまい、押出ラムによってコークスを炭化室から排出できなくなったり、当該接触により炉壁耐火物が崩壊したりする。

このような事態を避けるために、炭化室の張出量が大きくなる前に炭化室の炉壁耐火物を積み替えて補修する必要がある。炭化室の炉壁耐火物の補修を行うには、補修対象の内壁の位置及び補修すべき時期を把握することが必要になる。特許文献１には、炭化室の外側にレーザー式３次元形状測定装置を設置し、レーザーを炭化室内の炉壁に照射して炭化室の炉壁形状を測定するコークス炉の炉壁診断方法が開示されている。また、特許文献２には、同様の方法で炉壁形状を測定することで炭化室の内壁のうちの張出部分を把握し、当該張出部分の補修が必要となる時期、すなわち、炭化室の使用可能期間を予測する方法が開示されている。

特開２０１３－８２９０９号公報 特開２０１６－６０８６７号公報

コークス炉には炭化室と燃焼室とが交互に多数設けられているので、個々の炭化室ごとに炉壁耐火物を補修するのは効率が悪い。このため、炭化室の炉壁耐火物を補修する際にはコークス炉の炉団単位でまとめて炭化室の炉壁耐火物を補修することが好ましい。これに対し、特許文献１、２に開示された炉壁診断方法や使用可能期間予測方法は、コークス炉における個々の炭化室を対象とする方法であり、これだけでは、老朽化したコークス炉炉団の寿命を予測することができないという課題があった。本発明は、このような従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、コークス炉炉団の寿命を予測できるコークス炉炉団の寿命予測方法を提供することである。

上記課題を解決できる本発明の要旨は以下の通りである。
［１］コークス炉の炉団の寿命を予測するコークス炉炉団の寿命予測方法であって、前記炉団を構成する炭化室の炉壁形状を形状測定装置で測定することで、前記コークス炉の建設時の熱間寸法に基づいた初期位置よりも内側に張り出している張出部を特定し、前記張出部について、測定日時を変えて前記炉壁形状を複数回測定することで、時間と張出量との対応関係を示す回帰式を求め、前記回帰式によって算出される張出量が予め定められる閾値となる日時を算出することで前記炭化室の使用可能期間を予測し、予測された前記炭化室の使用可能期間に基づいてコークス炉炉団の寿命を予測する、コークス炉炉団の寿命予測方法。
［２］予測された前記炭化室の使用可能期間を用いて、前記コークス炉の使用期間と前記コークス炉炉団における使用できない炭化室の割合との対応関係を求め、前記対応関係を用いてコークス炉炉団の寿命を予測する、［１］に記載のコークス炉炉団の寿命予測方法。
［３］予測された前記炭化室の使用可能期間を用いて、前記コークス炉の使用期間と前記コークス炉炉団のコークス生産量との対応関係を求め、前記対応関係を用いてコークス炉炉団の寿命を予測する、［１］に記載のコークス炉炉団の寿命予測方法。
［４］前記閾値は、押出ラムのラムヘッドと建設時の熱間寸法に基づいた前記張出部の初期位置との間隔ｓｄに基づいて定められる、[１]から[３]のいずれかに記載のコークス炉炉団の寿命予測方法。

本発明によれば、炉団を構成する炭化室の使用可能期間を予測することでコークス炉炉団の寿命が予測できる。これにより、炉団単位で炭化室の補修計画を定めることができるようになり、効率よく炭化室を補修できるようになる。

図１は、コークス炉の一例を示す斜視図である。 図２は、コークス炉の炭化室を示す水平断面図である。 図３は、コークス炉の炭化室を示す水平断面図である。 図４は、炭化室の炉壁形状データの一例を示す模式図である。 図５は、張出量ｗの時間変化を示すグラフである。 図６は、コークス炉の炭化室の水平断面図である。 図７は、コークス炉のα炉団およびβ炉団の使用期間と非稼働窯の割合との関係を示すグラフである。 図８は、図７に示したα炉団およびβ炉団の使用期間とコークス生産量の割合との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。以下の実施形態は、本発明の好適な一例を示すものであり、これらの例によって何ら限定されるものではない。

図１は、コークス炉１０の一例を示す斜視図である。図１を用いて、まず、コークス炉１０について説明する。コークス炉１０は、蓄熱室が複数並べられて構成される蓄熱部１２と、当該蓄熱部１２の上に設けられる複数の炭化室１４と燃焼室１６とを有する。炭化室１４と燃焼室１６とは、交互に隣接して並べられている。このように、長手方向Ｌに沿って並べて配置された複数の炭化室１４によってコークス炉１０の炉団が構成される。

装炭車１８は、炭化室１４および燃焼室１６の上をコークス炉１０の長手方向Ｌに沿って走行する。炭化室１４の上壁には装炭孔（不図示）が、コークス炉１０の短手方向Ｓに沿って複数形成されており、当該装入孔からコークスの原料となる石炭が炭化室１４に装入される。炭化室１４の両側には窯口１４ａが設けられており、窯口１４ａは脱着可能な炉蓋（不図示）で覆われて塞がれている。炭化室１４の一方の窯口１４ａ側には押出機２０が配置され、他方の窯口１４ａ側にはガイド車２２が配置されている。押出機２０およびガイド車２２は炉長手方向Ｌに沿って走行する。

炭化室１４では、石炭が乾留されてコークスケーキとなる。石炭を乾留するために、蓄熱部１２の各蓄熱室から燃料ガスを燃焼室１６に供給して燃焼させ、当該燃焼熱を隣接する炭化室１４に伝えることで当該炭化室１４を加熱する。これにより、炭化室１４の温度が上昇して石炭が乾留される。石炭の乾留が終了すると、炉蓋を取外し、押出機２０の押出ラムを炭化室１４に挿入する。押出ラムを挿入することで石炭の乾留で得られるコークスケーキを炭化室１４から押し出して、当該押出機２０の反対側にあるガイド車２２で受け止める。ガイド車２２の下側には、蓄熱部１２の前を炉長手方向Ｌに沿って走行可能な消火車２４が配置されて、ガイド車２２から消火車２４がコークスケーキを受ける。消火車２４は、コークスケーキを所定の場所まで搬送する。

コークス炉１０の操業では、炭化室１４からのコークスケーキの押し出し、炭化室１４への石炭の装入が繰り返し行われる。この操業が繰り返し実行されるうちに、炭化室１４の炉壁が損耗し、変形していく。図２は、コークス炉１０の炭化室１４を示す水平断面図である。図２（ａ）は、コークス炉１０の建設時の炭化室１４を示し、図２（ｂ）は、炭化室１４の炉壁３２が変形して、炉壁３２の一部が内側に張り出している状態の炭化室１４を示す。炭化室１４は、対向する一対の炉壁３２により形成される。炉壁３２は、耐火物煉瓦が垂直に積み上げられて構成されている。

コークスケーキの押し出しは、押出ラム２６によって行われる。押出ラム２６は、ラムヘッド２８と該ラムヘッド２８が取り付けられたラムビーム３０とを有する。押出機２０は、押出ラム２６と当該押出ラム２６のラムビーム３０に接続する押出ラム駆動装置（不図示）とを有する。押出ラム駆動装置によってラムビーム３０が駆動されることで、ラムヘッド２８が炭化室１４に挿入され、当該ラムヘッド２８によってコークスケーキは炭化室１４から押し出される。

図２（ａ）に示す炭化室１４では、炉壁３２の凹凸に起因するコークスケーキの押し詰まりは生じない。しかしながら、図２（ｂ）に示す炭化室１４では、炉壁３２に張出部３４が形成されており、コークスケーキがラムヘッド２８に押し出される際、コークスケーキが当該張出部３４に接触することでコークスケーキの押出抵抗が高くなって押し詰まりが発生する場合がある。この張出部３４は、コークス炉１０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ったりして、平坦であった炉壁３２の一部が内側に張り出すことで生じる

また、張出部３４が更に内側に張り出し、ラムヘッド２８がその張出部３４の一部に接触すると、接触部やその周辺の炉壁３２を構成する燃焼室煉瓦の崩壊が起きたり、押出ラム２６が機能しなくなる可能性がある。特に、燃焼室煉瓦の崩壊が起こると、その補修に長期間を要することが多いので、ラムヘッド２８と張出部３４との接触は避けなければならない。

このため、張出部３４の張出量が大きくなって、コークスケーキの押し詰まりや、耐火物煉瓦の崩壊が起きる前に、炭化室１４の使用を停止しなければならない。この使用可否の判断を行うため、本実施形態に係るコークス炉炉団の寿命予測方法では、以下に示す１～４の手順で炉団を構成する炭化室の使用可能期間を予測する。

１．炉団を構成する炭化室１４の炉壁形状を形状測定装置で測定して張出部を特定する。
２．炉団を構成する炭化室１４において、測定日時を変えて張出部の炉壁形状を複数回測定して、複数の測定日時ｔと張出量ｗとからなるデータセットを複数取得する。
３．複数のデータセットを用いて時間と張出量ｗとの対応関係を示す回帰式を求める。
４．回帰式を用いて算出される張出量ｗが予め定められる閾値となる日時を算出する。この閾値は、コークスケーキの押し詰まりや耐火物煉瓦の崩壊が発生する張出量に基づいて、予め定められる閾値であり、この日時までの期間が炉団を構成する炭化室１４の使用可能期間となる。

まず、炉団を構成する炭化室１４の炉壁形状を形状測定装置で測定して張出部を特定する方法について説明する。図３は、コークス炉１０の炭化室１４を示す水平断面図である。炭化室１４の炉壁形状は、例えば、レーザー式３次元形状測定装置３６によって熱間で測定される。なお、レーザー式３次元形状測定装置３６は、炭化室１４の炉壁形状を熱間で測定する形状測定装置の一例である。レーザー式３次元形状測定装置３６は、炭化室１４のコークスケーキが押し出される側の窯口１４ａの前方に設置される。レーザー式３次元形状測定装置３６では、レーザー照射孔から炉壁３２に向けて斜めにレーザーを照射し、炉壁３２からの反射光を検出孔で受光することで、炭化室１４の炉壁形状を点群として測定する。これにより、炭化室１４の炉壁形状の熱間寸法を取得できる。

レーザー式３次元形状測定装置３６を用いて、炭化室１４の左右の炉壁形状を同時に測定してもよいが、炭化室１４の左右の炉壁形状を別々に測定することが好ましい。炭化室１４は上側に高さ６ｍ程度、幅４００ｍｍ程度、奥行き１６ｍ程度の大きさで、窯口１４aが幅４００ｍｍ程度、高さ６ｍ程度の細長い構造になっている。炭化室１４の外側からレーザーを照射する場合に、左右両側の炉壁形状を一度に測定しようとすると、レーザーの入射角度が炉壁３２に対して浅くなる。このように浅い角度でレーザーが入射すると、炉壁３２が内側に張り出している場合には、その奥が陰になってレーザーが届かなくなり、炉壁形状が測定できない場合がある。一方、炉壁形状を左右別々に測定することで、レーザーの入射角度を炉壁３２に対して大きくできるので、炉壁３２が内側に張り出している場合であっても炉壁形状を測定できる。

レーザー式３次元形状測定装置３６によって測定された左右の炉壁形状データは、別々に評価してもよく、これら２つの内壁形状データを炭化室１４の周辺の基準物を元に合成して、一つの合成炉壁形状データとして評価してもよい。このように、レーザー式３次元形状測定装置３６を用いることで、コークス炉１０における炭化室１４の炉壁形状を測定できる。

再び、図２（ｂ）を参照する。レーザー式３次元形状測定装置３６を用いて炭化室１４の炉壁形状を測定し、当該測定により取得した炉壁形状データと炭化室１４の建設直後の熱間測定データとを比較して差分形状データを求める。この差分形状データのうち、コークス炉１０の建設時の熱間寸法に基づいた初期位置よりも内側に張り出している部分が張出部３４となる。このようにして、張出部３４の位置を特定できる。

なお、初期位置よりも内側に張り出している張出部が複数存在している場合には、最も張出量ｗが大きい部分を張出部と特定することが好ましい。この理由は、張出量ｗが最も大きい張出部の張出量ｗが最も早く大きくなると考えられるからである。張出部の位置は、炭化室１４の使用可能期間を予測する前に少なくとも１回特定しておけばよい。但し、当初、最も張り出している張出部の位置を特定したとしても、次第に最も張り出している部位が変わる場合がある。このような場合には、当初特定した張出部に代えて、又は、特定した張出部に加えて、別の新たな張出部の位置を特定してもよい。

次いで、炉団を構成する炭化室１４において、測定日時を変えて炉壁形状を複数回測定して、測定日時ｔと特定した張出部の張出量ｗとからなるデータセットを複数取得する。ここで、図２（ｂ）の点線は、コークス炉１０の建設時の熱間寸法に基づいた炉壁３２の初期位置を示し、点線上の黒丸はコークス炉１０の建設時の熱間寸法に基づいた張出部３４の初期位置を示す。図２（ｂ）の実線は、点線と平行であって張出部３４の最も突出している部位に接する線である。張出部３４の初期位置は、張出部３４の最も突出している部位から点線に垂直に下した交点である、張出量ｗは、張出部３４の初期位置から点線までの距離である。上述したように、張出部３４が特定されていれば、張出部３４の初期位置も特定されるので、レーザー式３次元形状測定装置３６によって測定された炉壁形状データを取得することで張出部３４の張出量ｗが求められる。

張出量ｗの測定間隔は特に限定されるものではないが、張出量ｗの経時変化を確認するために、数日、数週間あるいは数月毎に定期的に張出量ｗを測定することが好ましい。例えば、コークス炉１０を操業している間、張出量ｗは、６時間や１日経過しても、あまり変化しない可能性が高いが、例えば数日経過すると、張出量ｗが変化する可能性がある。このため、測定期間を２週間や１カ月と定め、定めた測定期間毎に張出量ｗを測定することが好ましい。一方、張出量ｗが大きい炭化室では、測定期間を、例えば１週間などに短くしてもよい。これにより、回帰式を用いる張出量ｗの予測精度を高めることができる。具体的には、張出部３４の初期位置とラムヘッド２８との間隔と、張出量ｗとの差が１０ｍｍ以下となった場合には、張出量ｗの測定頻度を高くすることが好ましい。

図４は、炭化室１４の炉壁形状データの一例を示す模式図である。図４に示すように、炭化室１４では、軌条４０が設置されている下方のＡ部において張出量が大きくなる傾向があることが確認された。このため、このＡ部を張出部と特定し、測定日時を変えて張出部の炉壁形状を複数回測定して、測定日時と張出量ｗとからなるデータセットを複数取得した。

図５は、張出量ｗの時間変化を示すグラフである。図５の横軸は年／月であり、縦軸は軌条下の炉壁の張出量ｗ（ｍｍ）である。図５に示したグラフは、レーザー式３次元形状測定装置を用いて、測定日時を変えて炭化室１４の炉壁形状を１０回測定し、当該測定データを用いて取得した測定日時と張出量ｗとからなる１０組のデータセットをプロットしたグラフである。また、図５に示す実線は、最小二乗法を用いて１０個のプロットを直線回帰した回帰式を示す直線である。このように、測定日時ｔと張出量ｗとからなるデータセットを複数取得することで、時間と張出量ｗとの対応関係を示す回帰式を求めることができる。なお、図５に示した例では、複数のプロットを直線回帰した例を示したが、これに限らず、複数のプロットを２次曲線や他の関数形で回帰してもよい。

次に、この回帰式を用いて、炭化室１４の使用可能期間を予測する方法について説明する。上述したように炉壁３２の張出量ｗが大きくなると張出部３４にコークスケーキが接触することでコークスケーキの押出抵抗が高くなり、押し詰まりが発生する。さらに、張出部３４がラムヘッド２８に接触すると燃焼室煉瓦の崩壊が発生する。このため、まず、実験等を行うことで、押し詰まりや燃焼室煉瓦の崩壊が発生する炉壁３２の張出量を把握する。この張出量を閾値として予め定めておき、上記回帰式を用いて当該閾値になる日時を算出する。この日時が炭化室１４の使用可能期間となる。

また、張出量ｗの閾値を張出部３４の初期位置と押出ラム２６のラムヘッド２８との間隔ｓｄに基づいて定めてよい。図６は、コークス炉１０の炭化室１４の水平断面図である。図６を用いて間隔ｓｄについて説明する。

間隔ｓｄは、ラムヘッド２８が張出部３４に最も接近する位置でのラムヘッド２８と張出部３４の初期位置との間隔である。図６の一点鎖線はラムヘッド２８の側面位置であり、点線上の黒丸はコークス炉１０の建設時の熱間寸法に基づいた張出部３４の初期位置を示す。間隔ｓｄは、張出部３４の初期位置から一点鎖線までの距離である。

炉壁形状の測定により張出部３４の位置が特定されていれば、張出部３４の初期位置も特定される。ラムヘッド２８の側面位置は、炭化室１４を移動するラムヘッド２８の側面位置を実際に計測してもよいし、ラムヘッド２８の中心が、炭化室１４の中心を通過するとして、ラムヘッド２８の寸法から計算によって求めてもよい。そして、張出部３４の初期位置と、実測又は計算によって求められた側面位置とから、張出部３４の初期位置とラムヘッド２８との間隔ｓｄが求められる。

上述したように、張出部３４の張出量ｗが間隔ｓｄよりも大きくなると張出部３４とラムヘッド２８とが接触し、燃焼室煉瓦の崩壊が起きる可能性が高くなる。このため、例えば、間隔ｓｄに所定の安全率を乗じた値を閾値としてもよい。このように、間隔ｓｄに基づいて閾値を定めることで、張出部３４とラムヘッド２８とが接触し、燃焼室煉瓦が崩壊することを抑制できるようになる。

本実施形態に係るコークス炉炉団の寿命予測方法では、このようにして、炉団を構成する炭化室１４の使用可能期間を予測する。次いで、炉団を構成する各炭化室１４の使用可能期間から、所定期間経過後における炉団の非稼働窯の割合を求める。ここで、非稼働窯とは、使用可能期間を経過して使用できなくなった炭化室を意味し、非稼働窯の割合とは、非稼働窯数を、炉団を構成する全窯数で除して１００を乗じて算出される値（％）である。

図７は、コークス炉のα炉団およびβ炉団の使用期間と非稼働窯の割合との対応関係を示すグラフである。図７において横軸はコークス炉使用期間（年）であり、縦軸は非稼働窯の割合（％）である。図７に示すように、α炉団、β炉団ともにコークス炉の使用期間が長くなるにつれて非稼働窯の割合は高くなった。非稼働窯の割合が高くなると、当該炉団を稼働する経済効率が悪化する。そこで、経済効率が悪化する前に炉団の操業を停止し、炉団を構成する炭化室の補修する補修計画が作成される。

α炉団とβ炉団の場合、非稼働窯の割合が３０％を超えると炉団の経済効率が悪化するので、α炉団に対しては１年後、β炉団に対しては４年後に各炉団を補修する補修計画が作成された。α炉団に対しては、１年後にパドアップ（基礎部分を継続使用しながら炉壁煉瓦を積み替える工法）による炭化室の補修を実行した。一方、β炉団に対しては、４年後に更新する予定であったが、α炉団の後に続けてβ炉団の補修を実行することで、補修費用が低廉化することが判明したため、β炉団に対しては２年後にパドアップによる炭化室の補修を実行した。

ここで、コークス炉炉団の寿命は当該炉団を稼働する経済効率が悪化する前に炉団の操業を停止するまでの日時である。この炉団の経済効率の悪化は、炉団を構成する炭化室の使用可能期間から求められるコークス炉の使用期間と非稼働窯数の割合との対応関係から判断できるので、コークス炉炉団の寿命は、炉団を構成する炭化室の使用可能期間に基づいて予測できることがわかる。さらに、コークス炉炉団の寿命が予測できれば、経済効率を考慮しながら、当該炉団の補修計画も容易に策定できるようになる。

図８は、図７に示したα炉団およびβ炉団の使用期間とコークス生産量の割合との対応関係を示すグラフである。図８において横軸はコークス炉使用期間（年）であり、縦軸はコークス生産量の割合（％）である。コークス生産量の割合は、非稼働窯が生じることによって減少した後の炉団のコークス生産量（ｔ）を、全てが稼働窯である場合の炉団のコークス生産量（ｔ）で除して１００を乗じた値（％）である。このコークス生産量の割合も炉団を構成する炭化室の使用可能期間から求めることができる。

このように、コークス炉炉団を構成する炭化室の使用可能期間からコークス炉の使用期間とコークス生産量の割合との対応関係を求め、当該対応関係からコークス炉炉団の寿命を予測してもよい。このようにコークス炉炉団の寿命を予測することで、経済効率だけでなく、コークスの生産量も考慮しながら、当該炉団の補修計画を策定できるようになる。

以上説明したように、本実施形態に係るコークス炉炉団の寿命予測方法では、炉団を構成する炭化室１４において、時間と張出量ｗとの対応関係を示す回帰式を求め、当該回帰式を用いて炭化室の使用可能期間を予測し、当該使用可能期間に基づいてコークス炉炉団の寿命を予測する。これにより、経済効率やコークスの生産計画を考慮しながら炉団単位で炭化室の補修計画を定めることができるようになるので効率よく炭化室を補修できるようになる。

１０ コークス炉
１２ 蓄熱部
１４ 炭化室
１４ａ 窯口
１６ 燃焼室
１８ 装炭車
２０ 押出機
２２ ガイド車
２４ 消火車
２６ 押出ラム
２８ ラムヘッド
３０ ラムビーム
３２ 炉壁
３４ 張出部
３６ レーザー式３次元形状測定装置

Claims (2)

1. コークス炉の炉団の寿命を予測するコークス炉炉団の寿命予測方法であって、
   前記炉団を構成する炭化室の炉壁形状を形状測定装置で測定することで、前記コークス炉の建設時の熱間寸法に基づいた初期位置よりも内側に張り出している張出部を特定し、
   前記張出部について、測定日時を変えて前記炉壁形状を複数回測定することで、時間と張出量との対応関係を示す回帰式を求め、
   前記回帰式によって算出される張出量が予め定められる閾値となる日時を算出することで前記炭化室の使用可能期間を予測し、
   予測された前記炭化室の使用可能期間に基づいて使用できない炭化室の割合またはコークス生産量の割合を求め、
   前記コークス生産量の割合は、コークス炉炉団のコークス生産量に対する前記炭化室が使用できない非稼働窯が生じることによってコークス生産量が減少した後のコークス炉炉団のコークス生産量の割合であり、
   前記コークス炉炉団の経済効率が悪化すると判断される前記炭化室の割合または前記コークス生産量の割合を超える時点を前記コークス炉炉団の寿命とし、
   前記炭化室の割合または前記コークス生産量の割合と使用期間との対応関係を用いて前記寿命を予測する、コークス炉炉団の寿命予測方法。
2. 前記閾値は、押出ラムのラムヘッドと建設時の熱間寸法に基づいた前記張出部の初期位置との間隔ｓｄに基づいて定められる、請求項１に記載のコークス炉炉団の寿命予測方法。

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