JPH04132791A - コークス炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、石炭をコークス炉で乾留する際の炉内での通
気特性、粉炭の圧密現象を考慮して、コークス炉壁に負
荷される押圧を推定し、この推定に基づいてコークス炉
壁にかかる負荷を減少または安定させ、安定操業、炉寿
命延長を図りコークス炉を適正に操業するコークス炉の
操業方法に関する。

〔従来の技術〕

コークス炉の炉壁に及ぼす押圧力は軟化溶融層自体の膨
張圧が主要因との考え方が定説であり、溶融層の膨張圧
は石炭性状、乾留条件及び装入条件によって決まり、活
性成分量、昇温速度、嵩密度の増加とともに上昇すると
の報告がある（西岡ら、燃料温会誌、第６８巻第３号（
１９８９）ｐ２１０）。しかし、ガス流れを検討した報
告（第１１３回鉄鋼協会講演大会、鵜野ら：鉄と鋼４月
号、１９８７．５５２）では乾留実験で冷却後、コーク
ス層と石炭層の通気抵抗を測定し、炉内の圧力損失とガ
ス流速の関係式を導き出していることに留まり、溶融層
自体の通気特性については考慮していない。また、溶融
層で生ずる膨張圧の粉炭層への圧密現象による嵩密度変
化及び抑圧への影響に関しての検討例はこれまで見当た
らない。以上から従来の手法でのコークス炉壁に伝わる
押圧の推定法は精度が悪く、実用的と言えず、配合条件
や乾留条件の大幅な変更時には押圧を可動壁炉で実測し
なければならなかった。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の研究では乾留中の軟化溶融層の通気特性や膨張圧
による粉炭の嵩密度変化等を考慮した押圧の解析は行わ
れてない。よって石炭の乾留時の炉壁に及ぼす押圧を推
定するには、精密さを欠いていたのが現状である。本発
明では、前記問題点を解決した石炭乾留時の押圧を適正
に推定することにより炭種の配合の変更、コークス炉の
操業条件の設定、変更を合理的に決定する技術を提供す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段］ 本発明者らはコークス炉壁に及ぼす押圧を推定するにあ
たり、 ■炉内の石炭の温度分布、 ■石炭から発生するガス量、 ■粉炭、コークス及び軟化溶融層の通気抵抗、■軟化溶
融層の膨張に伴う粉炭層への圧密作用の影響 などを押圧推定モデルに組入れ、押圧を推定する技法を
確定した。そして本発明はその推定が適正値となる条件
によってコークス炉を操業する。すなわち、石炭をコー
クス炉で乾留するコークス炉の操業方法において、 石炭の初期膨張圧Ｐｏ、粉炭の変化前の嵩密度ＢＤＯ１
粉炭の変化後の嵩密度ＢＤ、溶融層で発生するガス流量
Ｑ、及び粉炭、コークス、軟化溶融層のそれぞれの通気
抵抗Ｒより次式により押圧Ｆを推定し、該推定値が適正
値となるように石炭の配合、コークス炉の操業条件を決
定することを特徴とするコークス炉の操業方法。

Ｆ＝Ｐｏ　　（ＢＤｏ　／ＢＤ）＋ΣＱＲ［作用］ 本発明では炉内の押圧発生について従来技術の不備な点
を上記のような新しい考えに立脚して改善した。これを
以下に作用すると共に詳細を説明する。

溶融層の位置及び発生ガス量を推定するのに炉内の石炭
の温度分布の推測が必要であり、発生ガスがコークス層
と粉炭層のどちらにどれだけ流れるか（分配比）を知る
のと、コークス層側の圧力損失を推定するために石炭か
ら発生するガス量の推測が必要であり、これらから粉炭
、コークス及び軟化溶融層の通気抵抗、軟化溶融層の膨
張に伴う粉炭層への圧密作用の影響を推定する。

モデルの基本的な考え方は次の通りである。

石炭乾留時の押圧の発生機構を模式的に第１図に示す。

粉炭層３からコークス層４へ移行する中間の軟化溶融層
１の膨張力は、溶融層１の内部のガス発生層２から発生
するガスが層最外部の通気抵抗の大きい膜で押しとどめ
られることによって生ずる。しかし、初期に生じた膨張
圧（Ｐａ　）は直接炉壁５に伝わるのではな（、粉炭層
３の圧密（外圧によって圧縮され嵩密度が増す現象）及
びガスの抜けによって弱められる。炉壁５に伝わる押圧
Ｆはこの弱められた溶融層１内の圧力（Ｐ）とガス流れ
７で生じた圧力損失（ΔＰ１）を加算した圧力である。

よって石炭乾留時の押圧（膨張圧）を推定するためには
粉炭層３の圧密現象９及び粉炭層３、コークス層４、軟
化溶融層１の各々の通気抵抗を解明する必要がある。

粉炭の圧密現象を調べた結果、加圧力に対する嵩密度変
化は第２図のようになった。また、ガス流れによる圧力
損失を求める式としてダルシー（Ｄａｒｃｙ　）の法則
（（１）式）を用いた。ここで圧力損失を求めるために
必要なのはガス流量Ｑすなわちガス発生量と粉炭層３、
コークス層４、軟化溶融層１のそれぞれの通気抵抗係数
＝１／にである。ガス発生量を求める方法は後で説明す
る。

通気抵抗係数はＡｒガスを用いた実験によって求めた。

その結果を第３図に示す。粉炭、コークスおよび軟化溶
融層の通気抵抗係数１／にはそれぞれ０．５〜３．０Ｘ
１０１０．１．０〜５．０Ｘ１０１２７、４〜９．−８
　Ｘ　１０１３［ｍ−２］となった（第３図）。

ダルシーの法則は次の通りである。

ΔＰ＝μ・Ｑ−Ｌ／（Ｓ−Ｋ）　　　・・・・・・　（
１）ここで、 △Ｐ：圧力損失（ｋｇｆ／ゴ） μ　：流体の粘度（ｋｇｆ　−ｓｅｃ／ゴ）Ｑ　：流量
（ｒｒ？／５ｅｃ） Ｌ　：層厚（ｍ） Ｓ　：断面積（ｒｒ１″） Ｋ　：透過度（ｒ１１″） である。石炭の層内の温度分布は、フーリエの熱伝導方
程式（２）式を基本式とする。

Ｃ・ρ・　（θＴ／θｔ） ＝　（ａ／ａｘ）　　　（Ｋ　（ａＴ／ａｘ））・・・
・・・（２） ここで、 Ｃ：比熱（Ｋ　ｃ　ａ　Ａ　／　ｋ　ｇ　℃）Ｔ：温度
（”Ｃ） ρ：密度（ｋ　ｇ／解） Ｋ：熱伝導度（ＫｃａＩ２／ｍ−３ｅＣ・℃）である。

上記（２）式を下記の（４）、（５）式のように変換温
度：ψ、エンタルピー：Ｈを考え、（３）式を用いて、
差分前進法によって求めた。

ａＨ／ａＴ＝　　（１／ρ）　　　　（ａ２　＊／ａｘ
２　）・・・・・・　（３） φ＝ｌＫｄｔ　　つまり　Ｋ＝θφ／ａＴＣ＝θＨ／δ
Ｔ ・・・・・・　（５） ただし、 ψ：変換温度（℃） Ｈ：エンタルピ（Ｋｃａｆｆ／ｋｇ） である。

次にガス発生速度計算モデルについて説明する。石炭を
乾留すると熱分解と共にメタンやエタン等の種々のガス
が発生する。これらのガスはある程度の温度範囲をもっ
て発生する。ガス発生パターンは第４図に示すようなも
のであり、これを第５図のように近似して計算した。

発生ガス量Ｇは Ｇ＝Ｗ”　ｌ　　＋Ｔａ、ＴＣ＋　　ｆＬ　　（Ｔ）ｄ
ｔ−（５）ここで、 Ｇ　：ガス量（ｒｒ？／　ｓ　ｅ　ｃ　）Ｔａ：ガス発
生開始温度（℃） Ｗ　：石炭の質量（ｋｇ） Ｔｃ：ガス発生終了温度（℃） ｉ　：ガスの種 ｆ　（Ｔ）　　：ガス発生速度関数 で表され、これより各種ガスの発生量を計算した。なお
、各種ガスの近似した発生速度関数を第１表にまとめた
。表中の記号は第５図のものと対応している。

次に抑圧計算モデルについて説明する。

（１）軟化溶融層の内圧 実験によって溶融層内の圧力ＰＯが求まるが、この圧力
は粉炭層の圧密によって減少する。今、Ｐｏによって粉
炭が嵩密度ＢＤＯからＢＤに変化したときの内圧Ｐは（
７）式によって表される。

ここで圧密後の嵩密度ＢＤは第２図の実験値から求める
。

Ｐ”Ｐａ　　　（Ｖ／Ｖｏ） ＝Ｐｏ　・　（ＢＤｏ　／ＢＤ）　　　　−−（７）こ
こで、■：圧密前の粉炭の体積 ■０　：圧密後の粉炭の体積 （２）ガス流れによる圧力損失 石炭層内ガス流れの状態を第６図に示す。ガス流れは２
次元的なガス流れが部分的に炉上部で生じていると考え
られるものの、幅と比較して高さが１６．１７倍である
コークス炉では、大部分が炉幅方向へ流れていると見做
すことができるので、炉幅方向に対して一次元として取
扱った。

第６図における各記号は、 Ｒ：通気抵抗 Ｒ１：コークス層側の全通気抵抗 Ｒ２：粉炭側の全通気抵抗 ＲＬｊ：各層の通気抵抗 Ｐ：溶融層内の圧力 へＰ：圧力損失 △Ｐ１　：コークス層側の全圧力損失 ΔＰ２　：粉炭層側の全圧力損失 ΔＰＬｊ：各層の圧力損失 Ｑ：溶融層で発生するガス流量 Ｑｌ　：炉壁でのガス流量 Ｑｌ　：炉芯でのガス流量 Ｑｉｊ：各層でのガス発生速度 である。コークス側の圧力損失ΔＰｉは、で計算するこ
とができ、炉壁に及ぼす抑圧二Ｆは次の（１１）式で算
出することができる。

Ｆ＝Ｐ＋ΔＰ１ ＝Ｐｏ　　（ＢＤｏ／ＢＤ）＋ΣＱＲ・　（１１）以上
のように、コークス炉内の通気特性および粉炭の圧密現
象を調べる実験をした後、実験結果を組入れた炉内通気
特性、圧密作用を考慮した数学モデルを用いて押圧を推
定した結果、従来よりも炉内での乾留現象を細かくとら
えているため、精度よく押圧を推定できる。したがって
、炭種の変更、操業条件の変更に当っては、可動壁実験
炉等を用いた実験を行うことが不要となり、上記推定に
基づ（推定値が適正値となるように操業条件を定めると
コークス炉の円滑な操業、炉壁の長寿命を図ることがで
きる。

〔実施例〕

第７図は本発明の数学モデルで計算した押圧プロフィル
の１実施例を示す図である。第１０図に示すような可動
壁炉で実際に測定された抑圧と比較して同様のプロフィ
ルが得られ、押圧を推測するのに良好な結果が得られた
。

第１０図の可動壁炉の操作方法は次の通りである。

可動壁１３を動かし所定の炉幅に調整した後、装入口１
５より試料である粉炭１１を装入する。

その後電気ヒータ１６により粉炭１１を加熱乾留する。

乾留時に発生する膨張圧は可動壁１３側に取付けたロー
ドセル１４で測定し、粉炭からの発生ガス及び粉炭の温
度は１８に差し込んだプローブ及び熱電対で感知する。

また装入口１５の中央部には収縮量検出端も設置してお
り、垂直方向の収縮量が測定できるようになっている。

なお、第７図では配合炭Ａを用いた嵩密度７００ｋｇ／
ｒｒ？、稼働率１３７％、水分９％〔乾留条件〕での計
算例を示したが、本発明はこれに限るものではなく、乾
留条件を嵩密度７５０ｋｇ／ｎ１’、稼働率１００％、
水分９％とした場合においても第８図に示すように良好
な推測結果を示しており、乾留条件を変化させてもよい
。また異なった配合を施した配合炭Ｂにおける実験でも
第９図に示すように押圧を推測できることがわかリ、炭
種の配合変化にも対応することができる。

実際の操業に対しては石炭の配合及び乾留条件から事前
に炉壁におよぼす押圧が推測できるので、各窯の傷み具
合によって乾留条件を変化させればよい。つまり配合が
一定の場合は乾留条件を調整することで押圧を制御し、
生産量優先等で乾留条件に制約があれば配合調節で押圧
を制御すればよい。

［発明の効果］ 本発明は、コークス炉内の通気特性及び圧密作用を考慮
した数学モデルにより炉壁に及ぼす押圧を精度良（推定
できるようになった。

押圧推定精度が向上し、実炉をシミュレーションした可
動壁炉を用いた操業条件設定試験をする必要がなくなり
、この推定法を利用すると炉寿命延長が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の考え方を示す説明図、第２図は粉炭の
圧密作用の実験結果を示すグラフ、第３図は通気抵抗係
数測定の結果を示すグラフ、第４図はガス発生のパター
ンを示すグラフ、第５図は第４図に近似したガス発生パ
ターンを示すグラフ、第６図は炉内のガス流れの概念図
、第７図〜第９図は計算によるコークス炉での押圧プロ
フィールと可動壁炉での押圧測定例のチャート、第１０
図は実験に用いた可動壁炉の斜視図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　石炭をコークス炉で乾留するコークス炉の操業方法
   において、 石炭の初期膨張圧Ｐ＿ｏ、粉炭の変化前の嵩密度ＢＤ＿
   ｏ、粉炭の変化後の嵩密度ＢＤ、溶融層で発生するガス
   流量Ｑ、及び粉炭、コークス、軟化溶融層のそれぞれの
   通気抵抗Ｒより次式により押圧Ｆを推定し、該推定値が
   適正値となるように石炭の配合、コークス炉の操業条件
   を決定することを特徴とするコークス炉の操業方法。 Ｆ＝Ｐ＿ｏ（ＢＤ＿ｏ／ＢＤ）＋ΣＱＲ